Fabrication de nanostructures TiO2/Fe2O3 dopées à l'azote pour l'oxydation photocatalytique des eaux usées à base de méthanol

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4431 (2023) Citer cet article

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Un processus industriel important qui se produit souvent à la surface d’un catalyseur hétérogène utilisant des procédés thermochimiques ou photochimiques pourrait contribuer à l’oxydation des eaux usées à base de méthanol en formaldéhyde. Les photocatalyseurs à base de Titania ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des scientifiques car ils constituent un matériau catalytique fiable et abordable pour les processus d'oxydation photocatalytique en présence d'énergie lumineuse. Dans cette étude, une méthode hydrothermale simple pour produire des photocatalyseurs composites n-TiO2@α-Fe2O3 et des nanocubes d'hématite (α-Fe2O3) a été réalisée. En ajustant le rapport de n-TiO2 dans les photocatalyseurs composites préparés, l’influence accrue de l’oxyde de titane dopé à l’azote sur les caractéristiques photocatalytiques des matériaux préparés a été étudiée. Les matériaux préparés ont été soigneusement caractérisés à l'aide de méthodes physicochimiques courantes, telles que le microscope électronique à transmission (TEM), le microscope électronique à balayage (SEM), la diffraction des rayons X (XRD), les rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la spectroscopie de photoélectrons à rayons X ( XPS), physisorption (BET) et autres, afin d'en apprendre davantage sur la structure. Les résultats obtenus ont montré que le titane dopé à l'azote surpasse le titane non dopé pour la photooxydation du méthanol. L’ajout d’oxyde de titane dopé à l’azote à leurs surfaces a entraîné une amélioration encore plus importante des taux de photooxydation du méthanol couplé à l’hématite. La photooxydation du méthanol dans la solution aqueuse pour simuler sa concentration dans les eaux usées a été réalisée. Après 3 h, les quatre pour cent en poids du photocatalyseur n-TiO2@α-Fe2O3 ont montré le taux de production de HCHO le plus élevé.

L'élimination des polluants de l'eau tels que les composés aromatiques, les matières à base de pétrole, les hydrocarbures chlorés, les pesticides, les insecticides, les composés organiques volatils (COV), les colorants et autres matières organiques à l'aide de processus d'oxydation avancés (AOP) est une méthode respectueuse de l'environnement1. Ils ont une durée de vie courte car ils dépendent principalement de la production d’espèces réactives de l’oxygène comme les radicaux hydroxyles. En conséquence, ils interagissent rapidement et activement avec diverses espèces chimiques, dont beaucoup sont difficiles à dégrader1. De plus, les AOP ont été utilisés pour le traitement de nombreux types d'eaux usées en tant que technologie prometteuse capable de réduire efficacement les concentrations de contaminants organiques récalcitrants et les produits d'oxydation créés, tels que le dioxyde de carbone, l'eau et les matières organiques biodégradables, sont thermodynamiquement stables. ce qui les rend supérieures aux autres approches traditionnelles2. Les AOP contiennent le processus de photocatalyse, qui est crucial pour qu'un photocatalyseur capte la lumière du soleil3,4. Ensuite, en présence de différentes gammes de spectre solaire, ces photocatalyseurs ont été utilisés avec succès pour répondre aux problèmes liés à la pollution environnementale et aux crises énergétiques3,4.

De nombreuses études comme5 ont été menées sur l’oxydation photocatalytique de composés organiques en CO2. Récemment, de nombreuses nouvelles nanoparticules ont été fabriquées pour des applications environnementales6. Le nanocatalyseur et photocatalyseur le plus populaire à la fois est le titane (TiO2), car il est facilement disponible et stable dans divers paramètres de réaction7. Le fait d'être déclenché exclusivement par la lumière UV est l'un des plus gros inconvénients du TiO2. Il est souhaitable de disposer de photocatalyseurs capables d’utiliser le rayonnement solaire et la lumière visible avec moins d’énergie. Avec une énergie de bande interdite de 2,8 eV, l'oxyde de tungstène (WO3) peut être photoactivé par la lumière bleue (500 nm) et constitue un substitut approprié au TiO2 en tant que photocatalyseur. Pour augmenter les taux catalytiques, comme c’est le cas pour tous les photocatalyseurs, il est nécessaire d’améliorer la séparation des charges des électrons et des trous. La lumière avec suffisamment d'énergie est absorbée par des photocatalyseurs à oxyde métallique comme WO38,9 et TiO2 pour provoquer une excitation de bande interdite et la génération d'électrons réactifs (e−) et de trous (h+), qui sont responsables des réactions catalytiques10.