Behovet av hållbara och miljövänliga lösningar har accelererat den globala efterfrågan på grön och förnybar teknik. I detta avseende har halvledarfotokatalysatorer framstått som en attraktiv lösning, på grund av deras potential för att mildra föroreningar och effektivt utnyttja solenergi. Fotokatalysatorer är material som initierar kemiska reaktioner när de utsätts för ljus.
Trots deras framsteg lider vanligen använda fotokatalysatorer av reducerad fotokatalytisk aktivitet och ett snävt driftsområde inom det synliga ljusspektrumet. Dessutom är de svåra att återställa från vattenbaserade lösningar, vilket begränsar deras tillämpningar i kontinuerliga processer.
Vismutferrit (BiFeO3 ), med sitt smala bandgap och magnetiska egenskaper, är en attraktiv alternativ fotokatalysator. Det smala bandgapet för BiFeO3 möjliggör ett effektivt utnyttjande av ljus i det synliga området för att excitera elektroner från valensbandet till ledningsbandet, vilket lämnar efter sig tomma hål. De exciterade elektronerna och hålen kan båda inducera kemiska reaktioner som leder till nedbrytning av föroreningar i en vattenlösning.
Dessutom möjliggör den ferromagnetiska egenskapen enkel återställning av BiFeO3 från lösningen. Men liknande vanliga fotokatalysatorer, BiFeO3 lider också av snabb rekombination av elektron-hålpar, vilket avsevärt begränsar dess fotokatalytiska aktivitet.
För att ta itu med denna fråga utvecklade ett team av forskare under ledning av docent Tso-Fu Mark Chang från Institute of Innovative Research vid Tokyo Institute of Technology, Japan, en ny guld (Au) nanopartikeldekorerad BiFeO3 nanokristaller. Deras studie publicerades online i tidskriften ACS Applied Nano Materials den 5 april.
Dr Chang förklarar, "Införlivandet av Au nanostrukturer i BiFeO3 kan introducera mer aktiva platser för fotonedbrytningsreaktioner, på grund av Au nanopartikelns unika lokaliserade ytplasmonresonans och överföringen av de exciterade elektronerna i BiFeO3 till gulddomänen undertrycker rekombinationen av elektron-hålpar. Den nyutvecklade Au-dekorerade BiFeO3 nanokristaller utnyttjar de synergistiska egenskaperna hos båda mekanismerna."
Forskarna tillverkade Au-BiFeO3 nanokristaller genom en hydrotermisk syntesmetod och en enkel lösningsprocess för att dekorera BiFeO3 med olika mängder Au. Teamet optimerade den fotokatalytiska aktiviteten för Au-BiFeO3 nanokristaller genom att utvärdera deras effektivitet vid nedbrytning av metylenblått (MB), ett vanligt denimfärgämne. MB är mycket lösligt i vatten, vilket utgör en betydande risk för vattenlevande liv och människors hälsa. Detta gör den också till den idealiska föroreningen för att testa effektiviteten hos fotokatalysatorer.
Experiment visade att provet med 1,0 viktprocent Au uppvisade den bästa aktiviteten och uppnådde en imponerande 98 % nedbrytningseffektivitet under en 500 Watt xenonlampa inom 120 minuter. Dessutom behöll den också 80 % av sin ursprungliga aktivitet efter fyra 120-minuterscykler, vilket visade utmärkt stabilitet. Dessutom fanns det en försumbar effekt av Au på de magnetiska egenskaperna hos BiFeO3 , vilket tyder på utmärkt återvinningsbarhet.
Forskarna studerade också de mekanismer genom vilka Au förbättrar fotokatalytisk aktivitet. När en Au-BiFeO3 nanokristall belyses av ljus vid lämpliga våglängder, elektroner i BiFeO3 är exalterade till ledningsbandet.
Till skillnad från rekombinationen som sker i blott BiFeO3 , införandet av Au, som har en mindre negativ ferminivå än ledningsbandet för BiFeO3 , underlättar överföringen av exciterade elektroner från ledningsbandet till Au-domänen, vilket främjar ackumuleringen av hål i BiFeO3 . Detta förbättrar den fotokatalytiska aktiviteten hos BiFeO3 , vilket gör det lättare att inducera bildningen av hydroxiradikaler i vattenhaltiga lösningar. Dessa hydroxylradikaler är mycket aktiva och angriper lätt MB-molekyler i vattenlösningen och omvandlar dem till ofarliga produkter.
"Dessa fynd förbättrar vår förståelse av guld-halvledarinteraktioner i fotokatalys och banar väg för design och utveckling av avancerade nanokristallmaterial", säger Dr Chang. "Sammantaget belyser vår studie den lovande aktiviteten och återvinningsbarheten för Au-BiFeO3 , vilket understryker dess potential i effektiv och hållbar nedbrytning av miljöföroreningar."
Mer information: Jhen-Yang Wu et al, Tunable Photocatalytic Properties of Au-Decorated BiFeO3 Nanostructures for Dye Photodegradation, ACS Applied Nano Materials (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c01702
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
