Grupa badaczy pod kierownictwem naukowym dr inż. Marty Prześniak-Welenc z Instytutu Nanotechnologii i Inżynierii Materiałowej, Politechniki Gdańskiej przeprowadziła badania dotyczące efektywnego oczyszczania wód poprzez energię słoneczną. Zbadali rolę NH₄V₄O₁₀ i jego kompozytu z rGO w zwalczaniu zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych. Wyniki zostały opublikowane w periodyku „Scientific Reports”. Swoje badania w trybie komercyjnym prowadzili w Centrum SOLARIS na linii ASTRA.

W niniejszym badaniu naukowcy przeprowadzili analizę aktywności fotokatalitycznej związków NH₄V₄O₁₀ (NVO) oraz jego kompozytu z redukowanym tlenkiem grafenu (rGO) - NVO/rGO. Próbki zostały otrzymane za pomocą metody hydrotermalnej i dokładnie scharakteryzowane przy użyciu technik takich jak XRD, FTIR, XPS, XAS, spektroskopia Ramanowska, TG-MS, SEM, TEM, BET, PL oraz UV‒vis DRS. Wyniki badań wskazują na efektywne pochłanianie promieniowania widzialnego przez uzyskane materiały NVO i NVO/rGO, obecność znaczącej ilości V4+ na ich powierzchni oraz rozwiniętą powierzchnię właściwą. Te cechy przyczyniają się do wysokiej wydajności w procesie fotodegradacji błękitu metylenowego pod wpływem symulowanego światła słonecznego. Ponadto, kompozyt NH₄V₄O₁₀ z rGO przyspiesza proces fotooksydacji barwnika, co korzystnie wpływa na możliwość wielokrotnego wykorzystania fotokatalizatora. Dodatkowo, badacze wykazali, że kompozyt NVO/rGO może być skutecznie stosowany nie tylko do fotooksydacji zanieczyszczeń organicznych, ale także do fotoredukcji zanieczyszczeń nieorganicznych, takich jak Cr(VI).

Aktywność fotokatalityczną otrzymanych NVO i NVO/rGO oceniano pod kątem degradacji błękitu metylenowego (MB) i redukcji Cr(VI) do Cr(III) w symulowanym świetle słonecznym. Analizy XANES i XPS potwierdziły znaczną obecność jonów V4+ na powierzchni materiałów fotokatalitycznych, w odróżnieniu do objętości materiału. Wzbogacenie powierzchni o V4+ odegrało kluczową rolę w doskonałej wydajności fotodegradacji MB obu materiałów, wraz z ich dobrze rozwiniętą powierzchnią. Szczególnie wyraźny był pozytywny wpływ rGO na aktywność i stabilność fotokatalizatora. Reakcje przeprowadzone w obecności odpowiednich scavengerów wykazały różnice w mechanizmie działania fotokatalizatorów. W przypadku NVO, ·OH i h+ odgrywają kluczową rolę w fotodegradacji MB, podczas gdy w przypadku NVO/rGO, rodniki ·O2- są dominującymi formami aktywnymi odpowiedzialnymi za degradację barwników. Ponadto zaproponowany kompozyt wykazał aktywność w zakresie fotoredukcji wysoce toksycznych jonów Cr(VI) w środowisku kwaśnym.

Rysunek 1. Schemat ideowy poziomów energii pasmowej NVO/rGO z możliwym mechanizmem fotokatalitycznym.

Rysunek 2. a) V 2p XPS widma NVO/rGO b) V K-krawędziowe widma XANES (wykres pokazuje zależność między stopniem utlenienia wanadu a położeniem krawędzi).

Autor: Marta Prześniak-Welenc

Link do publikacji: M. Nadolska, M. Szkoda, K. Trzciński, J. Ryl, A. Lewkowicz, K. Sadowska, J. Smalc-Koziorowska, and M. Prześniak-Welenc, New Light on the Photocatalytic Performance of NH4V4O10 and Its Composite with RGO, Sci Rep 13, 3946 (2023). doi: 10.1038/s41598-023-31130-9