ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище

Потребность в устойчивых и экологичных решениях ускорила глобальный спрос на зеленые и возобновляемые технологии. В этой связи полупроводниковые фотокатализаторы стали привлекательным решением благодаря их потенциалу в снижении загрязнения окружающей среды и эффективном использовании солнечной энергии.

Фотокатализаторы — это материалы, которые инициируют химические реакции под воздействием света. Несмотря на прогресс, широко используемые фотокатализаторы страдают от пониженной фотокаталитической активности и узкого диапазона работы в видимом спектре света. Кроме того, их трудно извлечь из растворов на водной основе, что ограничивает их применение в непрерывных процессах.

Феррит висмута (BiFeO₃), обладающий узкой полосовой щелью и магнитными свойствами, является привлекательным альтернативным фотокатализатором. Узкая полосовая щель BiFeO₃ позволяет эффективно использовать свет в видимой области для возбуждения электронов из валентной полосы в полосу проводимости, оставляя вакантные дырки. Возбужденные электроны и дырки могут вызывать химические реакции, которые приводят к деградации загрязняющих веществ в водном растворе. Кроме того, ферромагнитные свойства позволяют легко извлекать BiFeO₃ из раствора. Однако, как и обычные фотокатализаторы, BiFeO₃ также страдает от быстрой рекомбинации электронно-дырочных пар, что значительно ограничивает его фотокаталитическую активность.

Чтобы решить эту проблему, группа исследователей под руководством доцента Цо-Фу Марка Чанга из Института инновационных исследований Токийского технологического института (Япония) разработала новые нанокристаллы BiFeO₃, декорированные наночастицами золота (Au). Их исследование, иллюстрация которого выбрана в качестве обложки ACS Supplementary Cover, опубликовано онлайн в журнале ACS Applied Nano Materials.

Доктор Чанг объясняет:

Включение наноструктур Au в BiFeO3 позволяет создать больше активных участков для реакций фотодеградации благодаря уникальному локализованному поверхностному плазмонному резонансу наночастицы Au, а перенос возбужденных электронов в BiFeO3 на золотой домен подавляет рекомбинацию электронно-дырочных пар. Новые нанокристаллы BiFeO3, декорированные Au, используют синергетические характеристики обоих механизмов.

Исследователи изготовили нанокристаллы Au-BiFeO₃ с помощью гидротермального метода синтеза и простого растворного процесса декорирования BiFeO₃ различными количествами Au. Команда оптимизировала фотокаталитическую активность нанокристаллов Au-BiFeO₃, оценив их эффективность в разложении метиленового синего (MB), распространенного красителя для джинсовой одежды. MB хорошо растворим в воде, представляя значительную опасность для водных организмов и здоровья людей. Это также делает его идеальным загрязнителем для проверки эффективности фотокатализаторов.

Эксперименты показали, что образец с 1,0% Au по весу проявил наилучшую активность, достигнув впечатляющей 98% эффективности разложения под 500-ваттной ксеноновой лампой в течение 120 минут. Более того, он также сохранил 80% своей первоначальной активности после четырех 120-минутных циклов, демонстрируя отличную стабильность. Кроме того, влияние Au на магнитные свойства BiFeO₃ было незначительным, что говорит об отличной способности к вторичной переработке.

Исследователи также изучили механизмы, с помощью которых Au усиливает фотокаталитическую активность. Когда нанокристалл Au-BiFeO3 освещается светом с подходящей длиной волны, электроны в BiFeO₃ переходят в полосу проводимости. В отличие от рекомбинации, происходящей в голом BiFeO₃, введение Au, имеющего менее отрицательный уровень Ферми, чем полоса проводимости BiFeO₃, облегчает перенос возбужденных электронов из полосы проводимости в домен Au, тем самым способствуя накоплению дырок в BiFeO₃. Это усиливает фотокаталитическую активность BiFeO₃, позволяя ему легче вызывать генерацию гидроксильных радикалов в водных растворах. Эти гидроксильные радикалы обладают высокой активностью и легко атакуют молекулы MB в водном растворе, преобразуя их в безвредные продукты.

Эти результаты расширяют наше понимание взаимодействия золота и полупроводников в фотокатализе и открывают путь к проектированию и разработке передовых нанокристаллических материалов, — отмечает доктор Чанг.

В целом, наше исследование подчеркивает перспективную активность и возможность вторичной переработки Au-BiFeO3, подчеркивая его потенциал в эффективном и устойчивом разложении загрязняющих веществ в окружающей среде.

24.04.2024