Der Bedarf an nachhaltigen und umweltfreundlichen Lösungen hat die weltweite Nachfrage nach grünen und erneuerbaren Technologien beschleunigt. In dieser Hinsicht haben sich Halbleiter-Photokatalysatoren als attraktive Lösung erwiesen, da sie das Potenzial haben, Schadstoffe zu reduzieren und Sonnenenergie effizient zu nutzen. Photokatalysatoren sind Materialien, die bei Lichteinwirkung chemische Reaktionen auslösen.
Trotz ihrer Fortschritte leiden häufig verwendete Photokatalysatoren unter einer verringerten photokatalytischen Aktivität und einem engen Betriebsbereich innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums. Darüber hinaus sind sie aus wasserbasierten Lösungen nur schwer wiederzugewinnen, was ihre Anwendung in kontinuierlichen Prozessen einschränkt.
Wismutferrit (BiFeO3) ist mit seiner schmalen Bandlücke und seinen magnetischen Eigenschaften ein attraktiver alternativer Photokatalysator. Die schmale Bandlücke von BiFeO3 ermöglicht die effiziente Nutzung von Licht im sichtbaren Bereich, um Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband anzuregen und dabei freie Löcher zu hinterlassen. Die angeregten Elektronen und Löcher könnten beide chemische Reaktionen auslösen, die zum Abbau von Schadstoffen in einer wässrigen Lösung führen.
Darüber hinaus ermöglicht die ferromagnetische Eigenschaft eine einfache Rückgewinnung von BiFeO3 aus der Lösung. Allerdings leidet auch BiFeO3, ähnlich wie herkömmliche Photokatalysatoren, unter einer schnellen Rekombination von Elektron-Loch-Paaren, was seine photokatalytische Aktivität erheblich einschränkt.
Um dieses Problem anzugehen, entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor Tso-Fu Mark Chang vom Institute of Innovative Research am Tokyo Institute of Technology, Japan, neuartige mit Gold (Au)-Nanopartikeln dekorierte BiFeO3-Nanokristalle. Ihre Studie wurde online in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Nanomaterialien am 5. April.
Dr. Chang erklärt: „Der Einbau von Au-Nanostrukturen in BiFeO3 kann aufgrund der einzigartigen lokalisierten Oberflächenplasmonresonanz der Au-Nanopartikel mehr aktive Stellen für Photoabbaureaktionen schaffen, und die Übertragung der angeregten Elektronen im BiFeO3 auf die Golddomäne unterdrückt die Rekombination von.“ Elektron-Loch-Paare. Die neu entwickelten Au-dekorierten BiFeO3-Nanokristalle nutzen die synergistischen Eigenschaften beider Mechanismen.
Die Forscher stellten die Au-BiFeO3-Nanokristalle durch eine hydrothermale Synthesemethode und einen einfachen Lösungsprozess her, um BiFeO3 mit unterschiedlichen Mengen an Au zu dekorieren. Das Team optimierte die photokatalytische Aktivität der Au-BiFeO3-Nanokristalle, indem es ihre Wirksamkeit beim Abbau von Methylenblau (MB), einem gängigen Denim-Farbstoff, bewertete. MB ist in Wasser gut löslich und stellt ein erhebliches Risiko für Wasserlebewesen und die menschliche Gesundheit dar. Dies macht es auch zum idealen Schadstoff, um die Wirksamkeit von Photokatalysatoren zu testen.
Experimente ergaben, dass die Probe mit 1,0 Gew.-% Au die beste Aktivität aufwies und unter einer 500-Watt-Xenonlampe innerhalb von 120 Minuten eine beeindruckende Abbaueffizienz von 98 % erreichte. Darüber hinaus behielt es auch nach vier 120-Minuten-Zyklen 80 % seiner ursprünglichen Aktivität bei, was eine hervorragende Stabilität beweist. Darüber hinaus hatte Au einen vernachlässigbaren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften von BiFeO3, was auf eine hervorragende Recyclingfähigkeit schließen lässt.
Die Forscher untersuchten auch die Mechanismen, durch die Au die photokatalytische Aktivität steigert. Wenn ein Au-BiFeO3-Nanokristall mit Licht geeigneter Wellenlängen beleuchtet wird, werden Elektronen in BiFeO3 in das Leitungsband angeregt.
Im Gegensatz zur Rekombination, die in reinem BiFeO3 auftritt, erleichtert die Einführung von Au, das ein weniger negatives Fermi-Niveau aufweist als das Leitungsband von BiFeO3, den Transfer angeregter Elektronen vom Leitungsband in die Au-Domäne und fördert dadurch die Ansammlung von Löchern in BiFeO3. Dies erhöht die photokatalytische Aktivität von BiFeO3 und ermöglicht es ihm, die Bildung von Hydroxyradikalen in wässrigen Lösungen leichter zu induzieren. Diese Hydroxylradikale sind hochaktiv und greifen MB-Moleküle in der wässrigen Lösung leicht an und wandeln sie so in harmlose Produkte um.
„Diese Erkenntnisse verbessern unser Verständnis der Gold-Halbleiter-Wechselwirkungen in der Photokatalyse und ebnen den Weg für das Design und die Entwicklung fortschrittlicher Nanokristallmaterialien“, bemerkt Dr. Chang. „Insgesamt unterstreicht unsere Studie die vielversprechende Aktivität und Recyclingfähigkeit von Au-BiFeO3 und unterstreicht sein Potenzial für einen effizienten und nachhaltigen Abbau von Umweltschadstoffen.“
Mehr Informationen:
Jhen-Yang Wu et al., Abstimmbare photokatalytische Eigenschaften von Au-dekorierten BiFeO3-Nanostrukturen für die Farbstoff-Photodegradation, ACS Angewandte Nanomaterialien (2024). DOI: 10.1021/acsanm.4c01702