En ny metod för att göra materialet som används för rening av avloppsvatten gör produktionsprocessen grönare – och 20 gånger snabbare. I en studie publicerad i Tillämpade material idag , forskare visar hur användning av mikrovågor kan minska den temperatur och det tryck som behövs för att göra fotokatalysatorer.
Drivs med solljus, material som titandioxid (TiO2) och vismutvanadat (BiVO4) används för att rena avloppsvatten, bryta ner färgämnen och till och med döda bakterier i genomskinliga bandage. Trots att det anses vara "grönt", de processer som traditionellt används för att tillverka dessa material är energikrävande.
Nu, forskare vid Chiang Mai University och National Nanotechnology Center i Thailand, och University of Wollongong i Australien, har kommit på en enstegsmetod som använder mikrovågor för att göra BiVO4-nanopartiklar som inte kräver höga temperaturer och tryck. Detta, säger forskarna, gör materialet verkligt miljövänligt, och kommer att minska produktionskostnader och tid.
"Dessa material har ett brett spektrum av applikationer, men det har gjorts lite för att förbättra sättet vi gör dem på, " sa Dr Jun Chen, en av författarna till den nya studien från University of Wollongong, Australien. "Folk säger att fotokatalysatorer är gröna, men ibland är sättet vi genererar dessa material på inte riktigt energieffektivt."
Traditionellt, BiVO4 tillverkas med en hydrotermisk metod som kräver högt tryck och hög temperatur. Detta är energikrävande, och kan ta cirka sex timmar. Processen innefattar flera kristallfaser, som bestämmer materialets struktur - storleken och formen på nanopartiklarna. Med den traditionella metoden, dessa faser kan inte kontrolleras, så en ytterligare process måste läggas till i slutet av produktionen för att städa upp partiklarna. Detta innebär höga temperaturer på runt 500 grader Celsius, kostar ännu mer energi.
Mikrovågor används ibland för att stödja den traditionella hydrotermiska metoden, för att förbättra det slutliga materialets renhet och struktur. Den nya metoden använder rena direkta mikrovågor för att göra BiVO4, så kräver inte hög temperatur och tryck, eller en ytterligare process för att förbättra materialet.
Den nya metoden är en förenklad, enstegsprocess utförd vid 60-90 grader Celsius, gör det industriellt lönsamt och säkrare. Det är också mycket snabbare - jämfört med standard 6 timmar, den nya metoden tar bara 16 minuter.
Vad mer, BiVO4-nanopartiklarna som tillverkas med den nya processen är rena och enhetliga i form och storlek. Teamet justerade pH, temperatur och reaktionstider för att kontrollera produktionens kristallfas. Detta innebar att de kunde kontrollera formen och storleken på nanopartiklarna, utan att behöva en ytterligare process.
Teamet testade hur väl materialet kan bryta ner ett färgämne som kallas Rhodamine B (RhB). De fann att deras material var mycket fotokatalytiskt, och fungerar lika bra som BiVO4 tillverkad med traditionella metoder.
"Vi blev så förvånade att inte många människor fokuserar på detta område - bara ett fåtal studier har gjorts med mikrovågor, ", sade Dr. Chen. "Vi hoppas att detta arbete kommer att vara av stort intresse för materialforskare som vill använda grön teknologi för att förenkla syntesprocessen för oorganiska kristallmaterial."
Forskarna hoppas nu kunna utöka metoden till att syntetisera andra metalloxider och relaterade kompositer.
