ZnO drogato C: sintesi facile, caratterizzazione e degradazione fotocatalitica di coloranti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14173 (2023) Citare questo articolo

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Le nanoparticelle di ZnO drogate con carbonio sono state sintetizzate dalla decomposizione termica del precursore del citrato di zinco. Il precursore è stato sintetizzato da una pasta semisolida e poi sottoposto a calcinazione a 700 °C per produrre nanoparticelle di ZnO. Il precursore e ZnO sono stati caratterizzati mediante spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, spettri UV-visibili (UV-Vis), microscopio elettronico a trasmissione, microscopio elettronico a scansione a emissione di campo, analisi dispersiva di energia mediante raggi X (EDAX), diffrazione di raggi X su polveri (XRD ) e spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). I risultati hanno assicurato la formazione di nanoparticelle esagonali 2D-ZnO con uno spessore dello strato di 25 nm. Il gap di banda ottica di ZnO è stato determinato ed è risultato pari a 2,9 eV, che è inferiore alla massa. La degradazione fotocatalitica del colorante fluoresceina come colorante anionico e della rodamina B come colorante cationico è stata valutata tramite NP C-ZnO sotto irradiazione UV. ZnO ha mostrato una degradazione del 99% del colorante fluoresceina dopo 240 minuti e una degradazione fotocatalitica completa del colorante rodamina B dopo 120 minuti sotto irradiazione UV.

Lo scarico di acque reflue industriali contaminate da coloranti organici derivanti dalla lavorazione di tessuti, prodotti farmaceutici, cosmetici e altri, è diventato la causa principale dell'eccessiva contaminazione dell'acqua1. L'esposizione ai coloranti anche in piccole concentrazioni può influenzare in modo critico la qualità dell'acqua dell'ambiente acquatico2. Coloranti come la rodamina B e il blu di metilene sono coloranti pericolosi non biodegradabili, tossici e cancerogeni3, 4. La fluoresceina è un colorante altamente fluorescente che può essere utilizzato per visualizzare la struttura dei materiali e tracciare il flusso di fluidi ed è stabile in un'ampia gamma di Condizioni di pH e temperatura5 . I coloranti non biodegradabili e resistenti rappresentano un grosso problema perché possono persistere nell'ambiente per lunghi periodi di tempo, dove possono avere molti impatti ambientali negativi6. Sono necessari più processi, come adsorbimento7, filtrazione8 e fotocatalisi9, per un’efficiente purificazione dell’acqua. La fotocatalisi è considerata una tecnica ecosostenibile per la rimozione dei coloranti dalle acque reflue10, 11. La fotocatalisi è un approccio promettente per le tecniche future che si basano su radiazioni solari naturali rinnovabili e poco costose12, 13. I difetti della nanostruttura sono fondamentali per definire le proprietà e le prestazioni delle nanostrutture nelle applicazioni mirate14. Senza parametri imposti come pH e temperatura, pochi fotocatalizzatori hanno un impatto efficiente sulla degradazione dei coloranti sia anionici che cationici15, 16. I materiali bidimensionali sono nanomateriali simili a fogli costituiti da strati multipli sottili con uno spessore di diversi nanometri17, 18. Nano I materiali con diametro pari a -diametro hanno attirato crescente attenzione per le applicazioni fotocatalitiche rispetto ad altre morfologie a causa del loro spessore unico e della loro superficie attiva doppiamente esposta, natura peculiare della densità elettronica dello spettro di stato19. Le reazioni fotocatalitiche dipendono dall'induzione da parte della luce UV-visibile che si trova su una superficie di un semiconduttore come ZnO20. È un eccellente semiconduttore di tipo n con energia band gap (3,3 eV) e presenta caratteristiche uniche come elevata fotosensibilità, buona stabilità fisica e chimica ed elevata mobilità degli elettroni17, 21, 22. ZnO ha un potenziale significativo come potente agente antibatterico e elevato profilo di sicurezza che potrebbe eventualmente sostituire gli antibiotici23. Queste proprietà caratteristiche hanno permesso allo ZnO di essere un materiale promettente per una varietà di applicazioni, come celle solari, fotocatalisi e sensori di gas24. Il drogaggio metallico25 e non metallico (ad es. carbonio)26 ha un impatto significativo sull'ingegneria del band gap e sulla fotocatalisi efficienza27, 28. Il miglioramento dell'efficienza fotocatalitica per il drogato con ZnO-carbonio potrebbe essere dovuto alla buona capacità di adsorbimento del colorante, alla fotoossidazione diretta del colorante e all'inibizione della ricombinazione elettrone-lacuna fotoindotta29. La sintesi del drogaggio di solito richiede metodi sofisticati privi di semplicità e di produzione ad alto rendimento30, 31. La sintesi allo stato solido di ossidi metallici da precursori molecolari presenta numerosi vantaggi rispetto agli altri approcci sintetici in quanto è semplice, fornisce buone rese che facilitano su larga scala32. L'uso di ZnO come è stato studiato un fotocatalizzatore nella degradazione del colorante Rodamina B sotto radiazione UV33,34,35. È stato studiato l'effetto della dose del catalizzatore e della dimensione delle particelle sull'efficienza di degradazione dei coloranti36. In continuazione del nostro precedente lavoro di sintesi e ibridazione di ossidi metallici, studiamo e li applichiamo come materiali efficienti nel trattamento delle acque37,38,39,40,41,42. ZnO miscelato con ZnC è stato sintetizzato mediante tecnica benigna allo stato solido dal precursore molecolare del citrato. Varie tecniche sono state utilizzate nella caratterizzazione dei prodotti di calcinazione. L'attività fotocatalitica della miscela ZnO/ZnC sintetizzata ha mostrato un'attività fotocatalitica efficiente nella degradazione di vari coloranti rispetto ad altri catalizzatori.