Nouvelles

Jun 29, 2023

Etude cinétique et thermodynamique de la dégradation piézo du bleu de méthylène par des nanocomposites SbSI/Sb2S3 stimulés par des billes d'oxyde de zirconium

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 15242 (2022) Citer cet article 1348 Accès 5 Citations 3 Détails des métriques Altmetric Récupération d'énergie mécanique par des matériaux piézoélectriques pour conduire

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15242 (2022) Citer cet article

1348 Accès

5 citations

3 Altmétrique

Détails des métriques

La récupération mécanique de l'énergie par des matériaux piézoélectriques pour piloter des réactions de catalyse a fait l'objet d'une grande attention pour l'assainissement de l'environnement. Dans ce travail, des nanocomposites SbSI/Sb2S3 ont été synthétisés comme catalyseur. Des billes de ZrO2 ont été utilisées pour la première fois comme force mécanique alternative aux ultrasons pour stimuler le piézocatalyseur. La cinétique et la thermodynamique de la dégradation piézoélectrique du bleu de méthylène (MB) ont été étudiées en profondeur. Outre l'effet du type de force mécanique, le nombre de billes de ZrO2 et la température de la réaction sur l'efficacité de la dégradation ont été étudiés. Ici, l'énergie mécanique provenait de la collision des billes de ZrO2 avec les particules de catalyseur. L’utilisation de billes de ZrO2 au lieu de vibrations ultrasoniques a permis d’améliorer l’efficacité de dégradation de 47 % à 30 ± 5 °C. Une étude cinétique a révélé que la dégradation piézoélectrique du bleu de méthylène (MB) par le catalyseur SbSI/Sb2S3 suivait une cinétique de pseudo-second ordre. Sur la base des résultats thermodynamiques, la dégradation piézoélectrique du MB était une réaction exothermique.

Le développement de sources d’énergie alternatives propres et durables suscite un vif intérêt dans la recherche pour soulager la pollution environnementale et les crises énergétiques. Les matériaux capables de collecter et de convertir l'énergie solaire ou mécanique ont fait l'objet de recherches approfondies ces dernières années en tant que nouvelle forme d'énergie propre1,2,3,4,5,6,7,8. Les matériaux piézoélectriques sont considérés comme une classe intéressante de matériaux capables de récolter et de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique ou chimique9,10,11,12. Dans ce scénario, lorsque le matériau piézoélectrique est soumis à une déformation appliquée provoquée par la force mécanique, le potentiel piézoélectrique modifiera les niveaux d'énergie électronique des états inoccupés ou occupés au sein des matériaux. En d’autres termes, cela abaisse la bande de conduction (CB) du matériau piézo-électrique en dessous de l’orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) de la molécule du matériau piézoélectrique. Par conséquent, les électrons pourraient être transférés des HOMO des molécules vers le CB du matériau piézoélectrique13,14,15,16,17. Dans le passé, les matériaux piézoélectriques étaient principalement utilisés comme capteurs, transducteurs et dans l'industrie électronique18,19,20. Récemment, une nouvelle application a été découverte, appelée piézocatalyse. Jusqu'à présent, les propriétés antibactériennes et la séparation de l'eau ont été obtenues par piézocatalyse. Plus récemment, la piézocatalyse a été utilisée comme agent de traitement pour décomposer les polluants de l'eau, ce qui constitue l'un des problèmes environnementaux les plus graves pour les êtres humains, car certains de ces polluants sont hautement solubles et chimiquement stables. Différents types de matériaux ont été développés à cet effet, tels que les wurtzites 1D et 2D ZnO et BaTiO321,22. Par exemple, en 2019, Qian et al. ont rapporté une décomposition d'environ 94 % du colorant rhodamine B (RhB) en utilisant un composite titanate de baryum (BaTiO3, BTO) – polydiméthylsiloxane23. Plus tard en 2020, Raju et al. appliqué un composite de fluorure de polyvinylidène/ZnSnO3 Nanocube/Co3O4 pour traiter le RhB et le bleu de méthylène (MB)24. Xu et son collègue ont dégradé plus de 97 % du RhB en utilisant Bi0.5Na0.5TiO3@TiO2 Composite25.

L’utilisation de la piézocatalyse pour l’assainissement de l’environnement présente des avantages par rapport aux autres méthodes telles que la photocatalyse26, l’adsorbant27 et le procédé Fenton28. Par exemple, la photocatalyse ne fonctionne que sous la lumière. En outre, des semi-conducteurs à large bande interdite sont nécessaires pour éviter la recombinaison des charges des porteurs. L’utilisation d’un catalyseur à large bande interdite nécessite des photons à haute énergie et le matériau est généralement plus coûteux29,30,31,32,33,34.

Récemment, plusieurs articles ont publié le mécanisme à l'origine de la dégradation des polluants par les matériaux piézoélectriques. Par exemple, nous avons appliqué des nanostructures PbTiO3 pour traiter l’acide rouge 143 et l’acide violet dans l’eau. Nous avons étudié le mécanisme possible en utilisant des piégeurs de radicaux et avons suggéré que les radicaux libres sont responsables de la dégradation des polluants organiques35. Plus tard en 2021, Lin et al. ont rapporté l'utilisation de nanocubes BaTiO3 comme catalyseurs piézoélectriques pour traiter les polluants organiques et ont suggéré le même mécanisme36. Bien que plusieurs groupes aient tenté d’étudier le mécanisme possible, la cinétique de dégradation des polluants organiques par les matériaux piézoélectriques est rarement étudiée. Par exemple, Lei et al. ont étudié la cinétique de la dégradation piézocatalytique des dichlorophénols à l’aide de nitrure de carbone graphitique bidimensionnel. Ils ont rapporté que la dégradation des dichlorophénols est une cinétique de pseudo-premier ordre37. Cependant, la thermodynamique, l'effet de la température et la quantité de force appliquée sur la cinétique de dégradation piézocatalytique du polluant n'ont pas encore été discutés. Outre les rapports précédents, nous utilisions l'actionnement par ultrasons comme source de force mécanique, tandis que nous utilisions des billes de zircone pour fournir des forces mécaniques. Ici, nous avons préparé un catalyseur piézo par sonochimie et méthode hydrothermale. Nous avons ensuite étudié la cinétique associée à des températures variées de 293 K, 303 K et 313 K, et sous différentes forces mécaniques. Enfin, nous avons étudié la thermodynamique derrière la dégradation.