Les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel pour la dépollution et l’exploitation efficace de l’énergie solaire. Les photocatalyseurs couramment utilisés présentent encore des limites en termes d’activité photocatalytique et de gamme d’opération dans le spectre de la lumière visible.
Une équipe de chercheurs de l’Institut de recherche innovante de l’Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a développé de nouveaux nanocristaux de ferrite de bismuth (BiFeO3) décorés de nanoparticules d’or (Au) pour surmonter ces défis.
Les propriétés uniques du ferrite de bismuth (BiFeO3)
Le ferrite de bismuth (BiFeO3) est un photocatalyseur alternatif attrayant en raison de sa bande interdite étroite et de ses propriétés magnétiques. La bande interdite étroite du BiFeO3 permet une utilisation efficace de la lumière dans la région visible pour exciter les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, laissant derrière eux des trous vacants. Les électrons excités et les trous peuvent tous deux induire des réactions chimiques qui conduisent à la dégradation des polluants dans une solution aqueuse.
De plus, la propriété ferromagnétique permet une récupération facile du BiFeO3 de la solution. Cependant, comme les photocatalyseurs courants, le BiFeO3 souffre également d’une recombinaison rapide des paires électron-trou, ce qui limite considérablement son activité photocatalytique.
Les nanocristaux de BiFeO3 décorés de nanoparticules d’or (Au)
Pour résoudre ce problème, l’équipe de chercheurs dirigée par le professeur agrégé Tso-Fu Mark Chang a développé de nouveaux nanocristaux de BiFeO3 décorés de nanoparticules d’or (Au).
L’incorporation de nanostructures d’Au dans le BiFeO3 peut introduire davantage de sites actifs pour les réactions de photodégradation, grâce à la résonance plasmonique de surface localisée unique des nanoparticules d’Au, et le transfert des électrons excités dans le BiFeO3 vers le domaine de l’or supprime la recombinaison des paires électron-trou.
Les chercheurs ont fabriqué les nanocristaux Au-BiFeO3 par une méthode de synthèse hydrothermale et un processus de solution simple pour décorer le BiFeO3 avec différentes quantités d’Au. L’équipe a optimisé l’activité photocatalytique des nanocristaux Au-BiFeO3 en évaluant leur efficacité dans la dégradation du bleu de méthylène (BM), un colorant de denim courant.
Des résultats prometteurs pour la dépollution efficace et durable
Les expériences ont révélé que l’échantillon contenant 1,0% d’Au en poids présentait la meilleure activité, atteignant une efficacité de dégradation impressionnante de 98% sous une lampe au xénon de 500 watts en 120 minutes. De plus, il a également conservé 80% de son activité d’origine après quatre cycles de 120 minutes, démontrant une excellente stabilité.
Les chercheurs ont également étudié les mécanismes par lesquels Au améliore l’activité photocatalytique. Lorsqu’un nanocristal Au-BiFeO3 est éclairé par une lumière à des longueurs d’onde appropriées, les électrons dans le BiFeO3 sont excités vers la bande de conduction. Contrairement à la recombinaison qui se produit dans le BiFeO3 nu, l’introduction d’Au, qui a un niveau de Fermi moins négatif que la bande de conduction du BiFeO3, facilite le transfert des électrons excités de la bande de conduction vers le domaine Au, favorisant ainsi l’accumulation de trous dans le BiFeO3.
Cette étude met en évidence l’activité et la recyclabilité prometteuses de l’Au-BiFeO3, soulignant son potentiel dans la dégradation efficace et durable des polluants environnementaux. Ces résultats ouvrent la voie à la conception et au développement de matériaux nanocristallins avancés pour des applications photocatalytiques.
Article : « Tunable Photocatalytic Properties of Au-Decorated BiFeO3 Nanostructures for Dye Photodegradation » – DOI: 10.1021/acsanm.4c01702
