Calcogenuri metallici (CuS o MoS2)

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7994 (2023) Citare questo articolo

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Qui riportiamo la modifica delle nanostrutture di TiO2 con due diversi calcogenuri metallici (CuS o MoS2). Sono stati studiati l'effetto dello schema di preparazione (metodi idrotermali e di coprecipitazione) e il rapporto in massa dei calcogenuri metallici. I nanocompositi fotocatalizzatori così sintetizzati sono stati completamente caratterizzati mediante varie tecniche. Inoltre, sono state eseguite analisi foto/elettrochimiche per studiare le proprietà fotoelettriche e il meccanismo fotocatalitico. La prestazione fotocatalitica è stata valutata utilizzando due reazioni di prova. Nel caso della generazione di H2 tramite scissione dell'acqua, si è riscontrato che lo 0,5% in peso di CuS-TiO2 sintetizzato tramite il metodo di coprecipitazione mostrava un tasso di evoluzione iniziale dell'idrogeno (HER) di 2,95 mmol h−1 g−1. Mentre, il 3% in peso di MoS2-TiO2 ottimizzato sintetizzato con il metodo idrotermale, ha mostrato un HER di 1,7 mmol h−1 g−1. Inoltre, l’efficienza di degradazione del colorante blu di metilene era del 98% sotto irradiazione di luce UV-Vis entro 2 ore su 0,5 CT_PP e 3MT_HT. Sotto irradiazione visibile, l'efficienza di degradazione era del 100% e del 96% rispettivamente per 3MT_PP e 0,5CT_HT in presenza di H2O2. Questo studio ha dimostrato che i calcogenuri metallici possono agire come co-catalizzatori bifunzionali efficaci, stabili e a basso costo per migliorare le prestazioni fotocatalitiche complessive.

L’accessibilità all’acqua pulita e alle fonti energetiche rinnovabili sono considerate due delle principali sfide che l’umanità deve affrontare nel ventunesimo secolo1. Al giorno d’oggi, lo sviluppo dell’industria dipende fortemente dai combustibili fossili. Tuttavia, le fonti di combustibili fossili potrebbero esaurirsi in futuro. Inoltre, il crescente utilizzo provoca estese emissioni di gas serra. Lo sviluppo di fonti di energia ecologiche e rispettose dell’ambiente è altamente auspicabile. Recentemente, la fotocatalisi basata su semiconduttori è stata studiata come una strategia promettente per la purificazione dell'acqua e la produzione di idrogeno2,3.

Dal lavoro pionieristico di Honda e Fujishima nel 1972 sulla scissione dell'acqua su elettrodi di TiO2 di tipo n4, sono stati condotti numerosi studi per esplorare materiali idonei. Molti semiconduttori, TiO2, CdS e ZnO, sono stati sviluppati per la generazione di idrogeno e il trattamento dell'acqua5.

Il TiO2 è considerato il fotocatalizzatore più ampiamente utilizzato per la sua disponibilità, grande stabilità chimica e non tossicità6,7,8. Tuttavia, il TiO2 soffre di una risposta insufficiente alla luce visibile perché ha un ampio intervallo di banda (E0 = 3,2 eV), l'elevato tasso di ricombinazione dei portatori di carica fotoeccitati e la rapida reazione inversa. Pertanto, sono stati fatti diversi tentativi per migliorare l'attività fotocatalitica del TiO29,10,11,12. A causa di queste limitazioni, sono stati realizzati diversi schemi per alterare il TiO2 con metalli nobili (ad esempio Pt, Pd, Au e Ag)13,14, metalli di transizione (ad esempio Cu e Ni)15,16 e loro ossidi (ad esempio NiO e CoOx)17,18, sensibilizzazione dei coloranti19 e costruzione di eterogiunzioni con altri semiconduttori20,21. Molti studi hanno utilizzato metalli nobili e i loro ossidi (ad esempio, Pt, Pd, RuO2 e Ag2O)14,22,23,24 come potenziali co-catalizzatori per aumentare l'attività fotocatalitica del TiO2. Tuttavia i metalli nobili sono molto costosi; pertanto, è urgente la modifica con metalli non nobili come co-catalizzatore.

Negli ultimi anni, i fotocatalizzatori di calcogenuri metallici, come CdS, CuS, MoS2 e ZnS, hanno attirato una notevole attenzione grazie alla loro efficiente attività fotocatalitica verso la scissione dell'acqua e il trattamento delle acque reflue. Queste proprietà possono essere spiegate grazie alle strette bande proibite, all'adeguata struttura fisica e chimica, alla sufficiente stabilità termica e alla buona risposta alla luce visibile25,26,27,28. Pertanto, l’accoppiamento dei solfuri metallici con il TiO2 ha svolto un ruolo cruciale incoraggiando la separazione delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate e aumentando l’attività fotocatalitica per la degradazione del colorante e la generazione di idrogeno. Tra questi solfuri metallici, il CuS è un semiconduttore di solfuro metallico con uno stretto intervallo di banda (2,0–2,2 eV), non tossico, economico e disponibile29. Inoltre, CuS/TiO2 forma l'eterogiunzione di tipo II, di conseguenza è stata migliorata la separazione dei portatori fotoeccitati. Per MoS2, si tratta di un semiconduttore con struttura a strati 2D con un gap di banda indiretto di 1,2 eV e un gap di banda diretto nella forma monostrato di 1,8 eV. Hu et al. hanno riferito che i nanofogli di MoS2 migliorano notevolmente le prestazioni di CdS a 49,8 mmol h−1 g−1 per l'evoluzione fotocatalitica di H230. Inoltre, è stato studiato anche l'accoppiamento del MoS2 con il TiO2 per migliorare la generazione di idrogeno fotocatalitico e la degradazione del colorante sotto l'irradiazione sia della luce ultravioletta che della luce visibile31,32. Sebbene molti studi abbiano studiato il miglioramento dell’attività fotocatalitica del TiO2 modificato con solfuri metallici, questi studi si sono concentrati principalmente su metodi di sintesi che comportano lunghi tempi di preparazione e condizioni di alta temperatura. Il metodo della facile coprecipitazione è una tecnica semplice per preparare TiO2 caricato da co-catalizzatori CuS e MoS2 con elevata attività verso la generazione di H2 e la degradazione del colorante.