Évaluation des propriétés de surface et électriques des matériaux hybrides TiO2@zeolite

Dec 15, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3650 (2023) Citer cet article

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La dégradation des polluants en milieu aqueux présente un grand intérêt en raison de son impact sur l'environnement et la santé humaine. Par conséquent, la conception et l'étude des propriétés physico-chimiques des photocatalyseurs pour l'assainissement de l'eau revêtent une importance majeure. Parmi les propriétés du photocatalyseur, celles liées à la surface et au mécanisme électrique sont cruciales pour les performances du photocatalyseur. Nous rapportons ici les caractéristiques chimiques et morphologiques du photocatalyseur TiO2@zeolite par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et microscopie électronique à balayage (MEB), respectivement, et un mécanisme de conduction électrique cohérent a été proposé sur la base des données obtenues par spectroscopie d'impédance laser assistée (ALIS). ), dans lequel la zéolite a été synthétisée à partir de cendres volantes de charbon recyclées. Les résultats obtenus par SEM et XPS ont vérifié la présence de particules sphériques de TiO2 anatase avec présence d'état Ti3+. Les résultats d'ALIS ont montré que l'impédance de l'ensemble du système augmente lorsque la quantité de TiO2 augmente et que les échantillons ayant des performances capacitives inférieures permettent un transfert de charges plus important entre l'interface solide-liquide. Tous les résultats ont montré que des performances photocatalytiques plus élevées de la croissance du TiO2 par rapport à l'hydroxysodalite avec 8,7 % en poids et 25 % en poids de TiO2 peuvent être expliquées principalement en termes de morphologie du TiO2 et des interactions entre substrat-TiO2.

Parmi les colorants, les composés azoïques sont largement utilisés dans les industries alimentaires et textiles, une quantité considérable d'eaux usées de ces industries sont rejetées dans l'environnement, ce qui représente un danger pour l'homme et la vie aquatique1,2. En raison de la grande stabilité chimique des colorants, les processus d’oxydation avancés utilisant la photocatalyse hétérogène permettent l’épuration de cette classe d’eaux usées3. Parmi les photocatalyseurs, le TiO2 est l'un des plus utilisés dans la photodégradation des polluants en raison de ses propriétés telles qu'une efficacité d'oxydation élevée, une inertie chimique et biologique, une photostabilité élevée, une facilité de production et d'utilisation par rapport à d'autres, un coût relativement faible et respectueux de l’environnement4,5 ; ainsi, le TiO2 a été utilisé et est toujours étudié comme matériau fondamental afin d'améliorer les processus photocatalytiques6,7,8,9,10,11,12,13. Pour améliorer les performances du TiO2, celui-ci est cultivé et dispersé sur un substrat adéquat, créant ainsi un matériau hybride qui utilise à la fois les propriétés du TiO2 et du substrat. L'un des substrats utilisés pour immobiliser le TiO2 est la zéolite, qui est un aluminosilicate hydraté constitué d'unités tétraédriques TO4 (T = Si, Al) liées par un atome d'oxygène ; ils génèrent une structure tridimensionnelle avec des cavités internes et des pores de dimensions moléculaires interconnectés par des canaux. En raison de la différence d'état d'oxydation des ions Al (+3) et Si (+4), une charge négative apparaît, qui est neutralisée par les cations échangeables (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) et par les molécules d'eau adsorbées qui sont placés dans les canaux ou cages de la structure14,15. Les zéolites sont d'origine naturelle ou synthétique et sont utilisées dans de nombreuses applications telles que l'agriculture16, la santé17, les hydrocarbures18 ou encore le traitement de la pollution19. Les zéolites synthétiques peuvent être synthétisées à partir de déchets tels que des déchets de verre et d’aluminium20, des cendres volantes de charbon (CFA)21, des déchets de lithium22 et des balles de riz23, entre autres, principalement par méthode hydrothermale. La capacité du photocatalyseur à dégrader les polluants des matériaux TiO2@zéolithe est due à la propriété de la paire électron-trou, favorisée par l'adsorption de la lumière par TiO2, de produire des radicaux libres en milieu aqueux, radicaux capables d'oxyder les composés organiques comme les colorants azoïques4, 5. L’efficacité de la photocatalyse du TiO2 dépend du nombre de radicaux libres produits, qui est principalement influencé par la capacité d’adsorption et la recombinaison électron-trou. La dispersion de TiO2 dans une zéolite cherche à résoudre les éventuelles difficultés du TiO2 – telles que la réduction du taux de recombinaison électron-trou –, augmente l'adsorption et facilite la récupération à partir d'une solution liquide24. Selon l'analyse de la littérature, la production de matériaux hybrides de TiO2@zeolite a été rapportée principalement avec de la zéolite commerciale25,26,27,28 ; cependant, la littérature relative à l'utilisation de zéolite synthétisée à partir de cendres volantes de charbon pour la production de TiO2@zéolite est rare24,29, par conséquent un manque de compréhension du mécanisme impliqué pour les applications de photocatalyse dans ces matériaux.