Sintesi e caratterizzazione di ossidi e titanati a base di calcio e magnesio per la degradazione fotocatalitica della rodamina B: uno studio comparativo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3615 (2023) Citare questo articolo

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L'attuale indagine riguarda la sintesi semplice ed ecologica di CaO, MgO, CaTiO3 e MgTiO3 per la dilapidazione fotocatalitica del colorante rodamina B. Il CaO è stato ottenuto dagli scarti dei gusci d'uovo di gallina mediante processo di calcinazione, mentre l'MgO è stato prodotto mediante il metodo di combustione della soluzione utilizzando l'urea come fonte di combustibile. Inoltre, CaTiO3 e MgTiO3 sono stati sintetizzati attraverso un metodo semplice e facile allo stato solido miscelando accuratamente il CaO o MgO sintetizzato con TiO2 prima della calcinazione a 900 °C. Le indagini XRD e EDX hanno confermato la formazione di fase dei materiali. Inoltre, gli spettri FTIR hanno rivelato l'esistenza di Ca–Ti–O, Mg–Ti–O e Ti–O che assomiglia alla composizione chimica dei materiali proposti. Le micrografie SEM hanno rivelato che la superficie di CaTiO3 è più ruvida con particelle relativamente disperse rispetto a MgTiO3, riflettendo un'area superficiale maggiore di CaTiO3. Le indagini sulla spettroscopia di riflettanza diffusa hanno indicato che i materiali sintetizzati possono agire come fotocatalizzatori sotto illuminazione UV. Di conseguenza, CaO e CaTiO3 hanno effettivamente degradato il colorante rodamina B entro 120 minuti con un'attività di fotodegradazione rispettivamente del 63% e del 72%. Al contrario, l’attività di degradazione fotocatalitica di MgO e MgTiO3 era molto più bassa, poiché solo il 21,39 e il 29,44% del colorante venivano degradati, rispettivamente, dopo 120 minuti di irradiazione. Inoltre, l'attività fotocatalitica della miscela di titanati di Ca e Mg era del 64,63%. Questi risultati potrebbero essere preziosi per la progettazione di fotocatalizzatori potenziali e convenienti per la purificazione delle acque reflue.

Nonostante siano uno degli inquinanti più dannosi, i coloranti sono ampiamente utilizzati nell’industria dei tessuti, degli alimenti, della plastica, dei prodotti chimici e dei tabloid. Il loro scarico nell'ambiente acquatico ha un grave impatto sugli organismi viventi1,2. Il colore riduce la penetrazione della luce solare attraverso l’acqua, con conseguente diminuzione dell’attività fotosintetica e dello sviluppo del biota. Inoltre, i coloranti tendono a legarsi agli ioni metallici, provocando microtossicità nei pesci e in altri esseri viventi1,3.

Normalmente, i coloranti sono difficilmente biodegradabili e difficili da eliminare con gli approcci convenzionali. In questo contesto, la rodamina B (RhB), che appartiene alla famiglia degli xanteni, è un colorante cationico altamente stabile grazie alla sua struttura eterociclica rigida4. In effetti, l’elevata stabilità del colorante RhB è vantaggiosa per diverse applicazioni industriali, tuttavia, rende la sua degradazione non semplice e impegnativa5,6,7. Di conseguenza, fornire soluzioni efficienti, rispettose dell’ambiente ed economiche per la decomposizione di tali contaminanti è fondamentale per la vitalità a lungo termine degli habitat verdi. Ciò ha portato all’impiego di una vasta gamma di tecniche per estrarre coloranti dalle acque reflue, tra cui adsorbimento8,9,10, ultrafiltrazione11, precipitazione chimica12, degradazione elettrocatalitica13 e fotodegradazione3,14,15,16.

La degradazione fotocatalitica è potenzialmente una delle tecniche più economiche, ecologiche e potenti per la decontaminazione dell’acqua dai coloranti inquinanti. In altre parole, è possibile stabilire condizioni estremamente ossidanti senza ulteriori reagenti, l'unico requisito è la fornitura di ossigeno aerobico e una fonte di irradiazione luminosa17,18. Gli elettroni (e−), le lacune (h+), i radicali idrossilici (OH·) e i radicali superossido (O2·−) sono tutte specie tensioattive che possono essere generate mediante degradazione fotocatalitica. La capacità dei fotocatalizzatori di generare specie tensioattive19,20. È stato proposto un assortimento di materiali con attività catalitica per la fotodegradazione di inquinanti come nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), TiO2, ZnO, CdS, CaO, MgO, CaTiO3 e MgTiO3, solo per citarne alcuni3,5,7 ,15,21,22,23,24,25,26.

Rispetto al TiO2, gli ossidi di tipo perovskite a base di titanio con formula strutturale ABO3 stanno attirando sempre più attenzione nell'ultimo decennio nel campo della fotocatalisi grazie alle loro intriganti proprietà fotofisiche. CaTiO3 e MgTiO3 sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni quali telecomunicazioni radar, condensatori, termistori, elettronica, ceramica, superconduttori, ottica non lineare, catalisi, dispositivi piezoelettrici e dielettrici27,28,29,30. Inoltre possiedono un'elevata attività di degradazione fotocatalitica verso diversi coloranti organici21,25. Ca e Mg sono tra i metalli più abbondanti sulla terra e i loro ossidi possono essere sintetizzati anche da materiali di scarto. Ciò li rende accessibili per varie applicazioni importanti. Per la sintesi di CaO, MgO, CaTiO3 o MgTiO37,31,32,33,34 sono stati utilizzati diversi metodi come idrotermale, sol-gel, meccano-chimico, tradizionale allo stato solido e precursore polimerico. Va sottolineato che l'efficienza catalitica di questi materiali dipende fortemente dalla procedura sintetica e dai loro precursori che ovviamente hanno un impatto diretto sulla morfologia superficiale finale, sui siti attivi e sulle proprietà fisico-chimiche. Inoltre, le prestazioni di questi fotocatalizzatori variano notevolmente da un colorante all'altro7,25,35.