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May 26, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8188 (2023) Citare questo articolo

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La macinazione meccanochimica a sfere seguita dal riscaldamento a 650 ° C per 5 ore ha prodotto con successo la polvere monofase Bi2VO5.5. È stata studiata l'attività catalitica per la degradazione del colorante blu di metilene. Per confermare la formazione della fase sono state utilizzate la spettroscopia Raman e la diffrazione dei raggi X. Il comportamento di trasporto dei portatori di carica del campione è stato accertato utilizzando l'analisi della fotocorrente dipendente dal tempo. L'esperimento di piezofotocatalisi ha prodotto un'efficienza di degradazione del 63% per il campione Bi2VO5.5 macinato a sfere. Viene individuata la cinetica pseudo-primo ordine della degradazione del colorante piezo-fotocatalitico e si ottiene il valore k significativo di 0,00529 min−1. Il test scavenger dichiara che il radicale h+ è la specie attiva predominante durante l'esperimento di piezofotocatalisi. I semi di Vigna radiata sono stati utilizzati in un test di fitotossicità per valutare l'indice di germinabilità. Il metodo di attivazione meccanochimica facilita le reazioni abbassando la temperatura e il tempo di reazione. L'effetto della migliore efficienza piezo-fotocatalitica sulla polvere Bi2VO5.5 macinata a sfere è un'area inesplorata e abbiamo tentato di indagarla. In questo caso, la polvere Bi2VO5.5 macinata a palle ha ottenuto prestazioni di degradazione del colorante migliorate.

Attualmente, il rapido ritmo di industrializzazione ha spinto la società umana in una nuova era in cui la conservazione dell’ambiente è una delle principali preoccupazioni. Le persone hanno iniziato a rendersi conto della necessità di preservare l’ambiente trovando modi migliori per affrontare il danno ambientale1. Gli inquinanti organici che vengono impiegati molto frequentemente nei settori alimentare, farmaceutico, della stampa, della tintura e in altri settori includono coloranti e antibiotici2. I coloranti organici rappresentano una componente significativa delle acque reflue industriali poiché le industrie tessili li scaricano in grandi quantità direttamente nelle fonti acquatiche, causando gravi rischi ambientali e sono dannosi anche per la salute umana3. Gli inquinanti organici essendo cancerogeni e velenosi deteriorano la salute acquatica, animale e umana4. Sono stati condotti e pubblicati in letteratura numerosi studi per creare metodi standard per la rimozione degli inquinanti dalle acque reflue industriali5,6. I metodi convenzionali di purificazione dell’acqua, come la coagulazione, l’adsorbimento, l’ultrafiltrazione e la degradazione microbica, hanno rappresentato la norma per il trattamento delle acque reflue fino a tempi recenti7. Queste tecniche hanno però il difetto di avere una scarsa efficienza di rimozione, l’inquinante secondario che necessita di ulteriore trattamento, e difficoltà nell’eliminare contaminanti a basse concentrazioni7,8. Pertanto, è diventato fondamentale creare processi efficienti ed ecologicamente accettabili per abbattere questi contaminanti organici.

Numerosi processi fisici, chimici e biologici vengono ora utilizzati per il trattamento delle acque reflue tessili9. La tecnologia testata e conveniente è la fotocatalisi e la piezocatalisi10,11. Sono considerati alternative verdi grazie al loro potenziale di rispetto dell'ambiente ed eliminazione dei contaminanti organici dalle soluzioni acquose con elevata efficienza4,12. Nella fotocatalisi dei semiconduttori, è necessario un miglioramento del fotocatalizzatore per potenziarne la capacità di assorbire la luce facilitando al tempo stesso la separazione di diversi portatori di carica13,14. I fotocatalizzatori a semiconduttore hanno mostrato un notevole potenziale nella fotocatalisi grazie alle loro esclusive strutture a bande, alla mobilità e all'eccellente separazione dei portatori di carica fotogenerati15. I vantaggi della fotocatalisi includono la capacità di ossidare le tossine a temperatura ambiente a basse concentrazioni, la riduzione degli inquinanti secondari, il basso costo e la non tossicità che la rendono adatta alla degradazione dei contaminanti16,17. L'anatasio TiO2 è attualmente il fotocatalizzatore preferito grazie al suo potere ossidante più elevato, al prezzo più basso e all'eccellente stabilità chimica18,19. A causa della sua ampia banda proibita (3,20 eV) e della durata relativamente breve dei portatori fotoindotti, il TiO2 ha una scarsa efficienza quantistica poiché può assorbire solo la parte UV dei raggi solari1,18. Pertanto, è fondamentale creare un fotocatalizzatore efficace attivo nella luce visibile. Oltre alla fotocatalisi, la piezocatalisi indotta da vibrazioni ultrasoniche può essere utilizzata anche da sola o in combinazione per il trattamento delle acque reflue20,21. È stata condotta un'immensa ricerca per creare nuovi fotocatalizzatori che rispondano alla luce visibile in modo più efficace. I semiconduttori bi-based hanno attirato notevole attenzione grazie alle loro nuove caratteristiche e alla facile disponibilità delle materie prime7,22. In presenza delle bande di valenza ibridate Bi (6s) e O (2p), molti ossidi contenenti Bi3+ hanno caratteristiche fotocatalitiche23. Come nuovi materiali fotocatalitici, sono state segnalate sostanze a base di bismuto come BiVO4, Bi2WO6, Bi2MoO6, CaBi2O4, BiNbO4 e Bi2VO5.51,24,25,26,27. Gli ossidi a base di bismuto, come il vanadato di bismuto, possiedono caratteristiche spettacolari come resistenza alla corrosione, non tossicità, ferroelasticità e conduttività ionica28,29. Contrariamente alla maggior parte dei materiali ferroelettrici, il vanadato di bismuto (Bi2VO5.5, (BV)) mostra contemporaneamente un'elevata mobilità ionica e risposte polari, due proprietà tipicamente incompatibili30,31. Esistono numerose applicazioni, tra cui catalizzatori, elettroliti solidi, sensori di gas e materiali per elettrodi positivi per batterie ricaricabili al litio32,33,34. Bi2VO5.5 può essere prodotto utilizzando diverse tecniche, tra cui sol-gel, coprecipitazione, reazione allo stato solido e microonde33,35,36. Il comportamento piezoresponsivo è il risultato della struttura ortorombica non centrosimmetrica di BV37,38. Il materiale ha subito una polarizzazione spontanea a causa della polarizzazione stabile e discreta indotta dalla cella unitaria non centrosimmetrica39. La polarizzazione superficiale risultante porta alla piegatura della banda e alle regioni di carica spaziale39. La formula standard per Bi2VO5.5 è (Bi2O2)2+ (An−1BnO3n+1)2−, dove B sta per ioni esa-, tetra- e pentavalenti, n per il numero di blocchi di perovskite schiacciati tra strati di Bi2O2, e A per ioni di-, tri- e monovalenti40,41. BV ha una struttura a strati come BiVO442. Grazie al suo basso gap di banda, la BV viene utilizzata in un ampio intervallo di assorbimento della luce visibile42. Il tradizionale metodo di sintesi ceramica richiede temperature elevate e tempi di reazione più lunghi43. Il metodo di attivazione meccanochimica facilita le reazioni abbassando la temperatura e il tempo di reazione senza modificare la stechiometria43. È stato utilizzato efficacemente per accelerare la formazione dei composti e le transizioni di fase, nonché per migliorare le proprietà fisico-chimiche di nuovi materiali43,44. Inoltre, la superficie del catalizzatore è un componente cruciale. L'ampia area superficiale della nanoparticella del catalizzatore consente l'adsorbimento di molecole di colorante sufficienti per la cattura di fotoni e la produzione di coppie elettrone-lacuna, che possono migliorare l'attività fotocatalitica45,46. È stato segnalato che il materiale di piccole dimensioni delle particelle viene prodotto tramite processi attivati ​​da sol-gel, coprecipitazione, microonde e macinazione meccanochimica a sfere (MBM)33,47. A causa della loro vasta area superficiale, le dimensioni ridotte delle particelle sono vantaggiose per migliorare l’efficienza catalitica45. Xie et al.48 hanno degradato con successo il blu di metilene (MB) utilizzando nanoparticelle di Au depositate su Bi2VO5.5 con un'efficienza dell'85,2%. Jianmin Wang et al. hanno utilizzato una nanostruttura BiVO4/Bi2VO5.5 per degradare l'arancio di metilene (MO) del 95% in presenza di luce visibile42. Film compositi Bi2VO5.5/Bi2O3 sono stati utilizzati da Xie et al. per raggiungere un'efficienza di degradazione del colorante MB dell'89,97% in condizioni di luce solare simulata 1.