Fotosensibilizzazione di microsfere di TiO2 mediante la nuova chinazolina

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12929 (2023) Citare questo articolo

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L’inquinamento idrico è una delle minacce globali che colpisce gravemente il nostro pianeta e la salute umana. I coloranti tessili organici sono uno dei comuni inquinanti organici dell'acqua soggetti a degradazione mediante metodi fisici tradizionali. La fotocatalisi assistita da semiconduttori è considerata una tecnologia verde, efficiente e sostenibile per il trattamento delle acque reflue. Per massimizzare l’utilizzo efficiente della radiazione solare, è di fondamentale importanza esplorare nuove molecole organiche da impiegare come sensibilizzatori di coloranti efficienti per semiconduttori a banda larga per estendere le loro prestazioni alla regione della luce visibile. Pertanto, in questo lavoro, proponiamo la progettazione e la sintesi di nuove strutture della molecola QAD come fotosensibilizzatore colorante con assorbimento esteso della luce visibile grazie alle coniugazioni estese π–π/n–π, per promuovere le prestazioni delle nanoparticelle di TiO2 al regione della luce visibile e migliorare la separazione della carica. Le caratterizzazioni fisico-chimiche hanno confermato il successo della sintesi di campioni QAD, TiO2 e QAD/TiO2 con le strutture proposte. L'ancoraggio delle molecole QAD sulla superficie del TiO2 ha causato un sostanziale miglioramento delle caratteristiche ottiche del TiO2 oltre a superare i suoi comuni inconvenienti diminuendo la sua energia di bandgap a 2,6 eV, una notevole riduzione dell'intensità PL che indica la riduzione della ricombinazione e–h e miglioramento della separazione di carica e creazione di un'efficiente antenna per la raccolta della luce visibile nell'intervallo 400-600 nm. Inoltre, il campione QAD/TiO2 ha ottenuto un miglioramento di 3 volte nella costante di velocità osservata della fotodegradazione del colorante Rodamina B rispetto al TiO2 puro. I parametri che influenzano il processo di fotodegradazione sono stati ottimizzati e il campione ha mostrato una stabilità eccezionale dopo 4 cicli consecutivi. Infine, è stato studiato l'effetto degli spazzini ed è stato proposto che \({\mathrm{O}}_{2}^{\cdot -}\) fosse la specie più reattiva ed è stato suggerito il meccanismo del potenziamento in base alla iniezione di elettroni dal livello HOMO del QAD al CB del TiO2. Infine, questo lavoro apre la porta a vari studi per l'indagine delle strutture proposte o strutture simili in varie applicazioni fotocatalitiche/biomediche.

La fotocatalisi basata su semiconduttori guidata dalla luce visibile è diventata una delle strategie verdi di maggior successo per la raccolta e l'utilizzo efficaci dell'irradiazione solare incidente per catalizzare il processo chimico convertendo l'energia solare eternamente accessibile in preziosa energia chimica da applicare per scopi cruciali come il trattamento delle acque reflue, la produzione di idrogeno, la produzione di ammoniaca, le celle solari e la riduzione del biossido di carbonio1,2,3,4,5,6. Tra i vari fotocatalizzatori, le nanoparticelle di TiO2 possono essere considerate i semiconduttori più frequentemente utilizzati per la loro disponibilità, basso costo, non tossicità, eccezionale attività fotocatalitica e lunga durata7,8,9,10,11,12. Tuttavia, l’energia bandgap relativamente ampia (3,20 eV per l’anatasio) e la velocità di ricombinazione e-h veloce ostacolano le applicazioni industriali dei fotocatalizzatori TiO2 nudi; ciò ha focalizzato la luce sulla necessità cruciale di trovare fotocatalizzatori accessibili alla luce visibile, robusti, efficaci e innovativi5,13,14. Negli ultimi due decenni, ci sono stati molti tentativi di migliorare il comportamento fotocatalitico dei fotocatalizzatori a banda larga (ad esempio TiO2 e ZnO) estendendo la loro assorbanza ottica alla gamma della luce visibile e migliorando la separazione di carica mediante diversi approcci, incluso il drogaggio metallo/non metallico. /co-doping4,7, accoppiamento di semiconduttori15,16,17, accoppiamento con materiali in carbonio8,18 e sensibilizzazione con coloranti19,20,21.

Come simulazione del processo di fotosintesi nelle piante, la sensibilizzazione con coloranti risulta essere uno degli approcci più promettenti per migliorare le caratteristiche ottiche e fotocatalitiche delle nanoparticelle di TiO219,20,21,22,23,24,25,26. Nei nostri precedenti lavori sulle nanoparticelle di TiO2 a base di porfirina19,20, abbiamo notato che l'ancoraggio della tetra(4-carbossifenil)porfirina (TCPP) ha causato un sostanziale miglioramento delle caratteristiche ottiche complessive e delle prestazioni fotocatalitiche del fotocatalizzatore TiO2 mediante (1) diminuendo i tassi di ricombinazione e-h, (2) migliorando la durata e (3) riducendo l'energia del bandgap a circa 2,6 eV, oltre a (4) creando un'eccellente antenna per la raccolta della luce visibile per superare la loro inattività nel visibile gamma di luce insieme a (5) il raddoppio dell'attività fotocatalitica del fotocatalizzatore TCPP/TiO2 verso la fotodegradazione della rodamina B (RB). Oltre all'eccezionale capacità di assorbimento del TCPP come fotosensibilizzatore, soffre di instabilità nei mezzi alcalini (pH > 10)19. Allo stesso modo, M. Sedghi22 et al. hanno studiato l'effetto del TCPP per potenziare il TiO2/Al e spostare la sua risposta nella regione visibile; tuttavia, la percentuale di rimozione RB ottenuta è stata solo del 29,19%. E. Valadez-Renteria et al.24 hanno utilizzato la clorofilla verde come fotosensibilizzatore efficiente per il composito TiO2:W che degradava efficacemente il colorante RB, ma dopo il 3° ciclo è stata osservata una riduzione di circa il 20% nell'attività. Zyoud et al.23 hanno sintetizzato nanoparticelle di TiO2 sensibilizzate con antociani per l'efficiente fotodegradazione della fenazopiridina sotto luce solare simulata che raggiunge un'elevata percentuale di degradazione (> 90%); tuttavia, la percentuale di degradazione è scesa a circa il 55% dopo il secondo utilizzo a causa della perdita del fotosensibilizzatore.