Etude comparative du TiO2

Aug 14, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12075 (2023) Citer cet article

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Cette étude s'est concentrée sur une comparaison directe du traitement hydrothermique et micro-ondes conventionnel lors de la synthèse du photocatalyseur TiO2 – Fe3O4, qui est un catalyseur efficace pour décomposer le métronidazole. Le photocatalyseur a subi diverses analyses de caractérisation, notamment la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman, la microscopie électronique à transmission, les rayons X à dispersion d'énergie et la spectroscopie de réflectance diffuse. L'analyse par spectroscopie Raman a révélé que les matériaux obtenus par le traitement hydrothermal conventionnel étaient constitués de phases distinctes d'anatase et de magnétite. En revanche, les matériaux synthétisés par micro-ondes ont montré un déplacement notable de la bande Eg (143 cm−1) et de sa demi-largeur vers des nombres d'onde plus élevés. Ce changement est probablement dû à l’introduction d’ions Fe dans le réseau TiO2. De plus, les voies de synthèse hydrothermales et micro-ondes conventionnelles ont produit des systèmes TiO2 – Fe3O4 dotés de propriétés superparamagnétiques, comme le démontrent les mesures magnétiques SQUID. L’analyse TEM a révélé que les matériaux synthétisés à l’aide du procédé micro-ondes présentaient une plus grande homogénéité, sans observer de gros agrégats notables. Enfin, ce travail a proposé un photoréacteur LED pratique qui utilisait efficacement les propriétés photo-oxydantes des photocatalyseurs TiO2 – Fe3O4 pour éliminer le métronidazole. La combinaison de catalyseurs photoactifs TiO2 – Fe3O4 avec un réacteur LED économe en énergie a abouti à une faible énergie électrique par commande (EEO).

Dans la situation mondiale actuelle, il est extrêmement important de prendre soin de l’environnement naturel dans la poursuite de la neutralité climatique. Cet objectif est au cœur du Green Deal européen1,2, accepté par tous les pays de l’Union européenne. Cependant, il est également crucial d’utiliser judicieusement les ressources énergétiques disponibles. Aujourd'hui plus que jamais, le monde réalise que changer notre stratégie énergétique permettra d'atteindre la neutralité climatique et d'assurer la tranquillité d'esprit sur les marchés mondiaux de l'électricité. De plus, les chercheurs sont constamment mis au défi d’envisager des méthodes plus respectueuses de l’environnement pour la fabrication des produits souhaités3. Parmi les principes directeurs de la chimie verte, le désir d’utiliser des solvants plus sûrs et la conception soucieuse de l’efficacité énergétique sont deux principes clés pertinents pour la science des matériaux4.

Le dioxyde de titane est l'un des matériaux en poudre les plus étudiés en science des matériaux, avec près de 200 000 résultats dans la base de données Scopus (date d'accès le 10 mai 2023). Sa popularité peut être attribuée à ses excellentes propriétés photocatalytiques, qui le rendent adapté à la photooxydation des polluants organiques. Cependant, l’utilisation du dioxyde de titane dans le traitement des eaux usées industrielles est limitée en raison de certains inconvénients5,6. L’une de ces limites est la difficulté de séparer le TiO2 du mélange post-traitement. Un autre problème est le taux élevé de recombinaison des porteurs de charge électrons/trous, qui réduit l’efficacité du processus au fil du temps7. Cela affecte les performances globales du processus et nécessite des investissements importants dans la séparation des suspensions de TiO2 afin de récupérer le photocatalyseur pour le réutiliser dans les processus ultérieurs. Une stratégie possible pour relever les défis des photocatalyseurs au dioxyde de titane consiste à incorporer un composant capable d’améliorer la séparation des matériaux après le processus8,9. La magnétite (Fe3O4), qui est un mélange de deux oxydes de fer, possède des propriétés ferromagnétiques dues aux contributions magnétiques déséquilibrées des électrons FeII et FeIII10. La combinaison des propriétés des deux oxydes permet la production de photocatalyseurs magnétiques destinés à être utilisés dans la photodégradation des polluants organiques. Par exemple, Chu et al.11 ont synthétisé un système stable noyau-coquille TiO2@Fe3O4 basé sur le carbone, qui présentait des capacités photocatalytiques améliorées. De même, Guo et al.12 ont développé un matériau TiO2/Fe3O4/graphène avec une activité accrue pour l'élimination du bleu de méthylène. Cependant, sélectionner une méthode de synthèse appropriée qui préserve à la fois la capacité photooxydante et les propriétés magnétiques du système final reste un défi majeur pour les chercheurs13.