Synthèse et caractérisation des oxydes et titanates à base de calcium et de magnésium pour la dégradation photocatalytique de la rhodamine B : une étude comparative

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3615 (2023) Citer cet article

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L'enquête actuelle porte sur la synthèse simple et écologique de CaO, MgO, CaTiO3 et MgTiO3 pour la délabrement photocatalytique du colorant rhodamine B. Le CaO a été obtenu à partir de déchets de coquilles d'œufs de poule par un processus de calcination, tandis que le MgO a été produit par une méthode de combustion en solution utilisant l'urée comme source de carburant. De plus, CaTiO3 et MgTiO3 ont été synthétisés par une méthode simple et facile à l'état solide en mélangeant soigneusement le CaO ou le MgO synthétisé avec du TiO2 avant la calcination à 900 °C. Les investigations XRD et EDX ont confirmé la formation de phase des matériaux. De plus, les spectres FTIR ont révélé l'existence de Ca – Ti – O, Mg – Ti – O et Ti – O qui ressemble à la composition chimique des matériaux proposés. Les micrographies SEM ont révélé que la surface du CaTiO3 est plus rugueuse avec des particules relativement dispersées par rapport au MgTiO3, reflétant une surface plus élevée de CaTiO3. Les analyses par spectroscopie de réflectance diffuse ont indiqué que les matériaux synthétisés peuvent agir comme photocatalyseurs sous illumination UV. En conséquence, CaO et CaTiO3 ont efficacement dégradé le colorant rhodamine B en 120 minutes avec une activité de photodégradation de 63 % et 72 %, respectivement. En revanche, l’activité de dégradation photocatalytique du MgO et du MgTiO3 était bien inférieure, puisque seulement 21,39 et 29,44 % du colorant étaient dégradés, respectivement, après 120 min d’irradiation. De plus, l'activité photocatalytique du mélange de titanates de Ca et de Mg était de 64,63 %. Ces résultats pourraient être utiles pour concevoir des photocatalyseurs potentiels et abordables pour l’épuration des eaux usées.

Bien qu’ils soient l’un des polluants les plus nocifs, les colorants sont largement utilisés dans les industries du tissu, de l’alimentation, du plastique, de la chimie et des tabloïds. Leur rejet dans le milieu aquatique a un impact important sur les organismes vivants1,2. La couleur réduit la pénétration de la lumière solaire dans l’eau, ce qui entraîne une diminution de l’activité photosynthétique et un ralentissement du développement du biote. De plus, les colorants ont tendance à lier les ions métalliques, ce qui entraîne une microtoxicité chez les poissons et autres êtres vivants1,3.

Normalement, les colorants sont à peine biodégradables et difficiles à éliminer par les approches conventionnelles. Dans ce contexte, la rhodamine B (RhB) qui appartient à la famille des xanthènes, est un colorant cationique très stable du fait de sa structure hétérocyclique rigide4. En effet, la haute stabilité du colorant RhB est bénéfique pour différentes applications industrielles, mais rend sa dégradation difficile et difficile5,6,7. En conséquence, fournir des solutions efficaces, respectueuses de l’environnement et rentables pour la dégradation de ces contaminants est essentiel pour la viabilité à long terme des habitats verts. Cela a abouti à l'utilisation d'un large éventail de techniques pour extraire les colorants des eaux usées, notamment l'adsorption8,9,10, l'ultrafiltration11, la précipitation chimique12, la dégradation électrocatalytique13 et la photodégradation3,14,15,16.

La dégradation photocatalytique est potentiellement l’une des techniques les moins chères, les plus écologiques et les plus puissantes pour décontaminer l’eau des colorants polluants. En d’autres termes, des conditions extrêmement oxydantes peuvent être établies sans aucun autre réactif requis, la seule exigence étant l’apport d’oxygène aérobie et une source d’irradiation lumineuse17,18. Les électrons (e−), les trous (h+), les radicaux hydroxyles (OH·) et les radicaux superoxydes (O2·−) sont tous des espèces tensioactives qui peuvent être générées par dégradation photocatalytique. La capacité des photocatalyseurs à générer des espèces tensioactives19,20. Un assortiment de matériaux ayant une activité catalytique a été proposé pour la photodégradation de polluants tels que le nitrure de carbone graphitique (g-C3N4), TiO2, ZnO, CdS, CaO, MgO, CaTiO3 et MgTiO3, pour n'en nommer que quelques-uns3,5,7. ,15,21,22,23,24,25,26.

Comparés au TiO2, les oxydes de type pérovskite à base de titane avec une formule développée ABO3 attirent de plus en plus l'attention au cours de la dernière décennie dans le domaine de la photocatalyse en raison de leurs propriétés photophysiques intrigantes. CaTiO3 et MgTiO3 sont utilisés dans une vaste gamme d'applications, notamment les télécommunications radar, les condensateurs, les thermistances, l'électronique, la céramique, les supraconducteurs, l'optique non linéaire, la catalyse, les dispositifs piézoélectriques et diélectriques27,28,29,30. En outre, ils ont une activité de dégradation photocatalytique élevée envers différents colorants organiques21,25. Le Ca et le Mg sont parmi les métaux les plus abondants sur terre et leurs oxydes peuvent également être synthétisés à partir de déchets. Cela les rend abordables pour diverses applications importantes. Plusieurs méthodes telles que l'hydrothermie, le sol-gel, la mécano-chimie, l'état solide traditionnel et les précurseurs polymères ont été utilisées pour la synthèse de CaO, MgO, CaTiO3 ou MgTiO37,31,32,33,34. Il convient de souligner que l'efficacité catalytique de ces matériaux dépend fortement du procédé de synthèse et de leurs précurseurs qui ont bien entendu un impact direct sur la morphologie finale de la surface, les sites actifs et les propriétés physico-chimiques. De plus, les performances de ces photocatalyseurs varient énormément d’un colorant à l’autre7,25,35.