Efficace riduzione fotocatalitica della luce visibile del para

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9521 (2023) Citare questo articolo

1763 Accessi

8 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La rimozione degli inquinanti delle acque reflue mediante fotocatalisi eterogenea basata su semiconduttori è una tecnica vantaggiosa perché fornisce forti portatori di carica di energia redox sotto l'irradiazione solare. In questo studio, abbiamo sintetizzato un composito di ossido di grafene ridotto (rGO) e nanobarre di ossido di zinco (ZnO) chiamato rGO@ZnO. Abbiamo stabilito la formazione di compositi di eterogiunzione di tipo II impiegando varie tecniche di caratterizzazione fisico-chimica. Per valutare le prestazioni fotocatalitiche del composito rGO@ZnO sintetizzato, lo abbiamo testato per ridurre un comune inquinante delle acque reflue, il para-nitrofenolo (PNP), in para-amminofenolo (PAP) sotto irradiazioni di luce sia ultravioletta (UV) che visibile. I campioni di rGOx@ZnO (x = 0,5–7 in peso%), comprendenti vari pesi di rGO, sono stati studiati come potenziali fotocatalizzatori per la riduzione di PNP in PAP sotto irradiazione di luce visibile. Tra i campioni, rGO5@ZnO ha mostrato una notevole attività fotocatalitica, ottenendo un'efficienza di riduzione PNP di circa il 98% in una breve durata di quattro minuti. Questi risultati dimostrano una strategia efficace e forniscono informazioni fondamentali sulla rimozione degli inquinanti organici dell’acqua ad alto valore aggiunto.

La moderna industrializzazione ha portato ad un aumento dell'utilizzo di composti fenolici come nitrofenolici e altri composti aromatici. Questi composti hanno trovato applicazioni ad ampio raggio in vari settori, tra cui tessile, gomma, vernici, fertilizzanti, esplosivi, agenti indurenti, industrie alimentari e antiossidanti1. Gli inquinanti provenienti da queste industrie sono all'origine dell'effetto cancerogeno sul sistema ecologico2,3. Alla fine, gli scarichi industriali dannosi e le applicazioni di pesticidi agricoli penetrano nel suolo, contaminando potenzialmente il suolo e le fonti ambientali di falda freatica4,5. Normalmente i fenoli formano nell'acqua diversi derivati; tra questi, il para-nitrofenolo è un inquinante industriale tossico che fuoriesce dai rifiuti industriali di coloranti, pesticidi, plastificanti, prodotti farmaceutici e agrochimici6,7,8. Circa il 27% del para-nitrofenolo (PNP) viene utilizzato nella produzione di pesticidi (parathion) e il 13% viene utilizzato nella sintesi di componenti coloranti. La concentrazione massima accettata di nitrofenoli nell'acqua potabile è 0,5 μmol L−1. Il PNP è stato identificato come inquinante prioritario dall'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (USEPA) a causa delle sue proprietà cancerogene. Di conseguenza, la concentrazione di PNP nei corpi idrici naturali dovrebbe essere mantenuta al di sotto di una determinata soglia (< 10 mg L−1)9,10. La PNP è una potente neurotossina che può causare gravi danni al sistema nervoso centrale, al fegato e ai reni, anche a basse concentrazioni nell'uomo, come riportato da vari studi11,12,13. L'inalazione o l'ingestione di PNP a breve termine può causare una serie di problemi di salute, tra cui mal di testa, sonnolenza, nausea, cianosi e irritazione agli occhi. Inoltre, a causa della sua elevata stabilità, bassa biodegradabilità e solubilità in acqua, il PNP può potenzialmente causare danni agli ecosistemi2.

I fotocatalizzatori a luce visibile offrono una soluzione promettente per il risanamento ambientale e il trattamento sostenibile delle acque reflue. Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo di un fotocatalizzatore a luce visibile è che utilizza una gamma più ampia dello spettro elettromagnetico, che è più efficiente dal punto di vista energetico ed economico rispetto all'utilizzo della luce ultravioletta (UV). La luce visibile è anche meno dannosa per l’ambiente e la salute umana, rendendola un’opzione più sicura per le applicazioni fotocatalitiche. Inoltre, i fotocatalizzatori a luce visibile sono più efficaci nel degradare gli inquinanti organici come coloranti, prodotti farmaceutici e pesticidi, che sono prevalenti nelle acque reflue industriali.

I fotocatalizzatori compositi offrono vantaggi rispetto ai fotocatalizzatori monocomponente, come una migliore efficienza fotocatalitica, un migliore assorbimento della luce e una ridotta ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna. La combinazione di materiali può anche ampliare la gamma di risposta spettrale del fotocatalizzatore, consentendo un utilizzo più efficiente dell’energia luminosa. Inoltre, l'uso di fotocatalizzatori compositi può migliorare la stabilità e la durata del sistema fotocatalitico.