La necesidad de soluciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente ha acelerado la demanda mundial de tecnologías verdes y renovables. En este sentido, los fotocatalizadores semiconductores se han convertido en una solución atractiva, debido a su potencial para mitigar los contaminantes y aprovechar la energía solar de manera eficiente. Los fotocatalizadores son materiales que inician reacciones químicas cuando se exponen a la luz.
A pesar de su progreso, los fotocatalizadores de uso común adolecen de una actividad fotocatalítica reducida y un rango de operación estrecho dentro del espectro de luz visible. Además, son difíciles de recuperar de soluciones a base de agua, lo que limita sus aplicaciones en procesos continuos.
Ferrita de bismuto (BiFeO3 ), con su banda prohibida estrecha y sus propiedades magnéticas, es un fotocatalizador alternativo atractivo. La estrecha banda prohibida de BiFeO3 Permite la utilización eficiente de la luz en la región visible para excitar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando huecos vacíos. Tanto los electrones como los huecos excitados podrían inducir reacciones químicas que conducen a la degradación de contaminantes en una solución acuosa.
Además, la propiedad ferromagnética permite una fácil recuperación de BiFeO3 de la solución. Sin embargo, al igual que los fotocatalizadores comunes, el BiFeO3 también sufre de una rápida recombinación de pares electrón-hueco, lo que limita significativamente su actividad fotocatalítica.
Para abordar este problema, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asociado Tso-Fu Mark Chang del Instituto de Investigación Innovadora del Instituto de Tecnología de Tokio (Japón) desarrolló un nuevo BiFeO3 nanocristales. Su estudio fue publicado en línea en la revista ACS Applied Nano Materials. el 5 de abril.
El Dr. Chang explica:"La incorporación de nanoestructuras de Au en BiFeO3 puede introducir sitios más activos para reacciones de fotodegradación, debido a la resonancia de plasmón superficial localizada única de la nanopartícula de Au y a la transferencia de electrones excitados en el BiFeO3 al dominio de oro suprime la recombinación de pares electrón-hueco. El nuevo BiFeO3 decorado con Au Los nanocristales aprovechan las características sinérgicas de ambos mecanismos."
Los investigadores fabricaron el Au-BiFeO3 nanocristales mediante un método de síntesis hidrotermal y un proceso de solución simple para decorar BiFeO3 con diferentes cantidades de Au. El equipo optimizó la actividad fotocatalítica del Au-BiFeO3 nanocristales evaluando su eficacia en la degradación del azul de metileno (MB), un tinte común para mezclilla. El MB es altamente soluble en agua, lo que representa un riesgo significativo para la vida acuática y la salud humana. Esto también lo convierte en el contaminante ideal para probar la eficacia de los fotocatalizadores.
Los experimentos revelaron que la muestra con 1,0 % de Au en peso exhibió la mejor actividad, logrando una impresionante eficiencia de degradación del 98 % bajo una lámpara de xenón de 500 vatios en 120 minutos. Además, también retuvo el 80 % de su actividad original después de cuatro ciclos de 120 minutos, lo que demuestra una excelente estabilidad. Además, hubo un efecto insignificante del Au sobre las propiedades magnéticas del BiFeO3. , lo que sugiere una excelente reciclabilidad.
Los investigadores también estudiaron los mecanismos por los cuales el Au mejora la actividad fotocatalítica. Cuando un Au-BiFeO3 El nanocristal se ilumina con luz de longitudes de onda adecuadas, electrones en BiFeO3 están entusiasmados con la banda conductora.
A diferencia de la recombinación que ocurre en el BiFeO3 desnudo , la introducción de Au, que tiene un nivel de Fermi menos negativo que la banda de conducción del BiFeO3 , facilita la transferencia de electrones excitados desde la banda de conducción al dominio Au, promoviendo así la acumulación de huecos en BiFeO3 . Esto mejora la actividad fotocatalítica del BiFeO3. , lo que le permite inducir más fácilmente la generación de radicales hidroxi en soluciones acuosas. Estos radicales hidroxilo son muy activos y atacan fácilmente a las moléculas de MB en la solución acuosa, convirtiéndolas así en productos inofensivos.
"Estos hallazgos mejoran nuestra comprensión de las interacciones oro-semiconductores en la fotocatálisis y allanan el camino para el diseño y desarrollo de materiales nanocristalinos avanzados", comenta el Dr. Chang. "En general, nuestro estudio destaca la actividad prometedora y la reciclabilidad del Au-BiFeO3 , subrayando su potencial en la degradación eficiente y sostenible de contaminantes ambientales."
Más información: Jhen-Yang Wu et al, Propiedades fotocatalíticas sintonizables de nanoestructuras de BiFeO3 decoradas con Au para la fotodegradación de tintes, Nanomateriales aplicados ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c01702
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
