Proprietà fotocatalitiche di polveri di BiFeO3 sintetizzate dalla miscela di CTAB e Glicina

Jul 15, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12338 (2023) Citare questo articolo

106 accessi

Dettagli sulle metriche

Polveri altamente pure di BiFeO3 (BFO) sono state preparate mediante il metodo di sintesi con combustione in soluzione utilizzando bromuro di cetiltrimetilammonio (CTAB) e glicina come combustibili a vari rapporti carburante-ossidante (φ). Le caratteristiche microstrutturali, la morfologia, le proprietà ottiche e l'analisi termica sono state studiate rispettivamente mediante diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia di riflettanza diffusa (DRS) e termica/termogravimetria differenziale (DTA/TGA). Le polveri combuste preparate con diversi contenuti di carburante contenevano una piccola quantità di fasi impure come Bi24Fe2O39 e Bi2Fe4O9. Durante la calcinazione delle polveri di BFO a 600 °C per 1 ora, è stata prodotta una fase di BFO quasi pura. Le polveri bruciate hanno fotodegradato circa l'80% del colorante blu di metilene a φ = 2 fino a 90 minuti di irradiazione con luce visibile.

Il BiFeO3 monofase (BFO) è un materiale multiferroico con strutture romboedriche e perovskite distorte che mostrano il gruppo spaziale R3c. Grazie alle sue prestazioni ferroelettriche ad alte temperature Curie fino a 830 °C e al comportamento antiferromagnetico alla temperatura Neel di 370 °C, questo materiale è considerato per dispositivi di memoria non volatile, fotovoltaico, sensori e spintronica1,2,3,4. È anche noto che questi composti abbondanti e interessanti con la struttura della perovskite mostrano una migliore sintonizzabilità compositiva e strutturale5,6. A causa del suo stretto intervallo di banda compreso tra 2,2 e 2,8 eV e dell'elevata stabilità chimica, il BFO ​​è stato considerato un fotocatalizzatore della luce visibile per degradare gli inquinanti organici7. Molti fotocatalizzatori, come TiO2, ZnO, CdS, ZnS, ecc., sono stati utilizzati per fotodegradare i coloranti sotto irradiazione con luce ultravioletta (UV)8,9,10,11,12,13. Tuttavia, i raggi UV coprono solo una piccola porzione (~ 4%) dello spettro solare; pertanto, sono stati compiuti molti sforzi per sviluppare catalizzatori per la luce visibile che coprano una gamma più ampia14,15,16,17,18,19.

Fasi di impurità come Bi2O3, Bi2Fe4O9 e Bi24Fe2O39 compaiono durante la sintesi di BFO a causa della loro cinetica di formazione di fase. Pertanto, molti ricercatori hanno sviluppato vari percorsi di sintesi per rimuovere queste fasi secondarie. Per sintetizzare il BFO ​​puro sono stati utilizzati metodi idrotermali20,21, idrotermale assistito da polimeri22, sol-gel23, coprecipitazione24,25,26, spruzzatura di aerosol, elettrospinning27, percorso solvotermico28 e combustione della soluzione29.

Lo sviluppo di metodi semplici, sicuri dal punto di vista ambientale ed efficienti dal punto di vista energetico per sintetizzare una polvere BFO pura è di grande interesse. La sintesi con combustione in soluzione (SCS) è un processo chimico semplice, relativamente economico e veloce per produrre vari nanomateriali30. Tra la miscela di nitrati metallici e diversi combustibili organici (ad esempio glicina, acido citrico, urea, ecc.) avviene una reazione esotermica autopropagante, che rilascia un'enorme quantità di prodotti gassosi29.

Tra i diversi combustibili organici, la glicina è un amminoacido che facilita la formazione di un complesso di ioni metallici nella soluzione grazie ai suoi gruppi acido carbossilico e ammino alle estremità opposte della molecola31. Allo stesso modo, il cetiltrimetilammonio bromuro (CTAB) è un tensioattivo cationico con un'elevata temperatura di decomposizione ampiamente utilizzato per controllare la forma, le dimensioni e la microstruttura delle particelle riducendo al minimo la tensione superficiale del precursore32. Il BFO ​​è stato sintetizzato dal combustibile glicina attraverso la combustione della soluzione assistita da microonde con alcune fasi di impurità come Bi2Fe4O9 e Bi24Fe2O3933. Nei nostri lavori precedenti, il BFO ​​è stato sintetizzato utilizzando vari combustibili singoli e misti con un rapporto carburante/ossidante costante pari a 1, ma in questo lavoro i diversi rapporti carburante/ossidante (φ) sono stati variati da 0,5 a 232,33,34.

Tuttavia, la combinazione di diversi combustibili potrebbe essere più efficace rispetto ai singoli combustibili attraverso un migliore controllo sulla temperatura di reazione, sul tipo e sulla quantità di prodotti gassosi rilasciati. Pertanto, in questo lavoro, glicina e CTAB sono stati miscelati in varie quantità combustibile-ossidante nel rapporto unimolare per sintetizzare BFO quasi puro e monofase.