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Jun 29, 2023

Studio cinetico e termodinamico nella degradazione piezoelettrica del blu di metilene mediante nanocompositi SbSI/Sb2S3 stimolati da sfere di ossido di zirconio

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 15242 (2022) Cita questo articolo 1348 Accessi 5 Citazioni 3 Dettagli metriche altmetriche Raccolta meccanica di energia da materiali piezoelettrici per azionare

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La raccolta meccanica di energia mediante materiali piezoelettrici per guidare le reazioni di catalisi ha ricevuto ampia attenzione per il risanamento ambientale. In questo lavoro, i nanocompositi SbSI/Sb2S3 sono stati sintetizzati come catalizzatori. Le sfere di ZrO2 sono state utilizzate come forza meccanica alternativa agli ultrasuoni per stimolare per la prima volta il piezocatalizzatore. La cinetica e la termodinamica della degradazione piezoelettrica del blu di metilene (MB) sono state studiate approfonditamente. Oltre all'effetto del tipo di forza meccanica, sono stati studiati il ​​numero di sfere di ZrO2 e la temperatura della reazione sull'efficienza di degradazione. Qui l'energia meccanica proveniva dalla collisione delle sfere di ZrO2 con le particelle del catalizzatore. L'uso di sfere di ZrO2 invece della vibrazione ultrasonica ha portato a migliorare l'efficienza di degradazione del 47% a 30 ± 5 °C. Uno studio cinetico ha rivelato che la degradazione piezoelettrica del blu di metilene (MB) da parte del catalizzatore SbSI/Sb2S3 seguiva una cinetica di pseudo-secondo ordine. Sulla base dei risultati termodinamici, la degradazione piezoelettrica del MB è stata una reazione esotermica.

Lo sviluppo di fonti energetiche alternative, pulite e sostenibili ha suscitato un intenso interesse nella ricerca per alleviare l’inquinamento ambientale e le crisi energetiche. Negli ultimi anni i materiali in grado di raccogliere e convertire l'energia solare o meccanica sono stati ampiamente studiati come una nuova forma di energia pulita1,2,3,4,5,6,7,8. I materiali piezoelettrici sono considerati un'interessante classe di materiali in grado di raccogliere e convertire l'energia meccanica in energia elettrica o chimica9,10,11,12. In questo scenario, quando il materiale piezoelettrico è stato sottoposto a deformazione applicata causata dalla forza meccanica, il potenziale piezoelettrico sposterà i livelli di energia elettronica degli stati non occupati o occupati all'interno dei materiali. In altre parole, abbassa la banda di conduzione (CB) del materiale piezoelettrico al di sotto dell'orbitale molecolare occupato più alto (HOMO) della molecola di materiale piezoelettrico. Pertanto, gli elettroni potrebbero trasferirsi dagli HOMO delle molecole ai CB del materiale piezoelettrico13,14,15,16,17. In passato, i materiali piezoelettrici venivano utilizzati principalmente come sensori, trasduttori e nell'industria elettronica18,19,20. Recentemente è stata trovata una nuova applicazione, denominata piezocatalisi. Fino ad ora, l’antibatterico e la scissione dell’acqua sono stati ottenuti tramite piezocatalisi. Più recentemente, la piezocatalisi è stata applicata come agente di trattamento per abbattere gli inquinanti dell'acqua, che rappresenta uno dei problemi ambientali più gravi per gli esseri umani perché alcuni di questi inquinanti sono altamente solubili e chimicamente stabili. A questo scopo sono stati sviluppati vari tipi di materiali, come la wurtzite 1D e 2D ZnO e BaTiO321,22. Ad esempio, nel 2019, Qian et al. hanno riportato la decomposizione di circa il 94% del colorante rodamina B (RhB) utilizzando il composito titanato di bario (BaTiO3, BTO)-polidimetilsilossano23. Più tardi nel 2020, Raju et al. applicato il composito Polivinilidene Fluoruro/ZnSnO3 Nanocube/Co3O4 per trattare RhB e blu di metilene (MB)24. Xu e il suo collega hanno degradato oltre il 97% della RhB utilizzando il composito Bi0.5Na0.5TiO3@TiO225.

L'utilizzo della piezocatalisi per il risanamento ambientale presenta vantaggi rispetto ad altri metodi come la fotocatalisi26, l'adsorbente27 e il processo Fenton28. Ad esempio, la fotocatalisi funziona solo alla luce. Inoltre, sono necessari semiconduttori ad ampio bandgap per evitare la ricombinazione delle cariche portanti. L’utilizzo di un catalizzatore ad ampio gap di banda richiede fotoni ad alta energia e il materiale è solitamente più costoso29,30,31,32,33,34.

Recentemente diversi articoli hanno pubblicato il meccanismo alla base della degradazione degli inquinanti da parte dei materiali piezoelettrici. Ad esempio, abbiamo applicato nanostrutture PbTiO3 per trattare il rosso acido 143 e il viola acido in acqua. Abbiamo studiato il possibile meccanismo utilizzando scavenger di radicali e abbiamo suggerito che i radicali liberi sono responsabili della degradazione degli inquinanti organici35. Più tardi nel 2021, Lin et al. hanno riportato l'uso di nanocubi di BaTiO3 come catalizzatori piezoelettrici per trattare gli inquinanti organici e hanno suggerito lo stesso meccanismo36. Sebbene diversi gruppi abbiano cercato di studiarne il possibile meccanismo, la cinetica di degradazione degli inquinanti organici da parte del materiale piezoelettrico è raramente studiata. Ad esempio, Lei et al. hanno studiato la cinetica alla base della degradazione piezocatalitica dei diclorofenoli utilizzando nitruro di carbonio grafitico bidimensionale. Hanno riferito che la degradazione dei diclorofenoli è una cinetica di pseudo-primo ordine37. Tuttavia, la termodinamica, l’effetto della temperatura e la quantità di forza applicata sulla cinetica della degradazione piezocatalitica dell’inquinante non sono stati ancora discussi. Inoltre, i rapporti precedenti utilizzavano l'attuazione ad ultrasuoni come fonte di forza meccanica, mentre noi utilizzavamo sfere di zirconio per fornire forze meccaniche. Qui abbiamo preparato il catalizzatore piezoelettrico mediante sonochimica e metodo idrotermale. Quindi abbiamo studiato la cinetica correlata a varie temperature di 293 K, 303 K e 313 K e sotto diverse forze meccaniche. Infine, abbiamo studiato la termodinamica dietro il degrado.