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Jun 07, 2023

Activité photocatalytique du nanocomposite ternaire ZrO2/TiO2/Fe3O4 pour la dégradation du naproxène : caractérisation et optimisation par méthodologie de surface de réponse

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 10388 (2022) Citer cet article 2381 Accès à 6 citations Détails des métriques Dans cette étude, les composants ZrO2, TiO2 et Fe3O4 ont été synthétisés par

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10388 (2022) Citer cet article

2381 Accès

6 citations

Détails des métriques

Dans cette étude, les composants ZrO2, TiO2 et Fe3O4 ont été synthétisés respectivement par des méthodes de co-précipitation, sol-gel et de co-précipitation. De plus, une méthode de dispersion à l’état solide a été utilisée pour synthétiser le nanocomposite ternaire ZrO2/TiO2/Fe3O4. Le nanocomposite ZrO2/TiO2/Fe3O4 a été caractérisé par différentes techniques, notamment XRD, EDX, SEM, BET, FTIR, XPS, EELS et photoluminescence (PL). L'analyse FTIR du photocatalyseur ZrO2/TiO2/Fe3O4 a montré de forts pics compris entre 450 et 700 cm−1, qui représentent les vibrations d'étirement de Zr-O, Ti-O et Fe-O. Les résultats des analyses FTIR et XRD, XPS et des spectres PL ont confirmé que la méthode de dispersion à l'état solide a produit des nanocomposites ZrO2/TiO2/Fe3O4. L'analyse EELS a confirmé les échantillons purs de Fe3O4, TiO2 et ZrO2. L'analyse EDAX a montré que le rapport atomique Zr:Ti:Fe était de 0,42:2,08:1,00. La surface spécifique, le volume des pores et la taille moyenne des pores du photocatalyseur ont été obtenus respectivement de 280 m2/g, 0,92 cm3/g et 42 nm. De plus, les performances du nanocomposite ZrO2/TiO2/Fe3O4 ont été évaluées pour l’élimination du naproxène à l’aide de la méthode de la surface de réponse (RSM). Les quatre paramètres tels que la concentration en NPX, le temps, le pH et la concentration en catalyseur ont été étudiés. Le point de charge zéro du photocatalyseur était de 6. La dégradation maximale et minimale du naproxène à l'aide du photocatalyseur était de 100 % (dans des conditions : concentration de NPX = 10 mg/L, temps = 90 min, pH = 3 et concentration de catalyseur = 0,5 g/L. L) et 66,10% respectivement. L'expérience de stabilité a révélé que le nanocatalyseur ternaire démontre une activité photocatalytique relativement plus élevée après 7 recyclages.

La pollution de l’environnement par les composés pharmaceutiques est considérée comme l’un des problèmes les plus graves de ces dernières années1,2. Pour le traitement des eaux usées pharmaceutiques et pour éliminer les polluants avant qu’ils ne soient rejetés dans l’environnement, l’identification de la méthode la plus efficace constitue un défi3. Les eaux usées pharmaceutiques peuvent être traitées par des méthodes physiques4, chimiques, biologiques5 ainsi que combinées6. Les procédés d'oxydation avancés7, notamment l'oxydation avancée basée sur les radicaux sulfate8, l'ultraviolet-visible9, la lumière naturelle du soleil10, l'oxydation Fenton11, l'électrochimie12, les catalyseurs nanocomposites13, ainsi que la sonolyse et le sono-Fenton14, ont été largement utilisés pour éliminer les polluants des eaux usées pharmaceutiques avec de grandes performances. La formation de radicaux au cours de ces processus conduit à l'oxydation des polluants organiques dans les solutions aqueuses. Par rapport à d'autres méthodes, la photocatalyse offre plusieurs avantages, tels qu'un rendement élevé, un faible coût, la conception de catalyseurs adaptés à des eaux usées spécifiques et une stabilité élevée à la corrosion et à la température15,16,17. Le dioxyde de titane (TiO2) a été largement utilisé comme catalyseur dans la dégradation des composés organiques et des polluants pharmaceutiques car il s'agit d'un semi-conducteur sensible à la lumière (y compris la lumière UV et la lumière visible)18,19. La formation de trous de bande de valence et d'électrons de bande de conduction pendant la photocatalyse produit un milieu d'oxydo-réduction dans les eaux usées. Il peut facilement dégrader les composés organiques et les convertir en composés non toxiques tels que le CO2 et l’eau20,21. Le dioxyde de titane est un matériau polymorphe comportant trois phases cristallines : anatase, rutile et brookite. La phase anatase est plus active photocatalytiquement que la phase rutile22,23. Afin d’améliorer l’activité du photocatalyseur TiO2, il est important d’utiliser des particules plus petites (taille nanométrique), car les particules plus petites ont des surfaces spécifiques plus élevées24. L'élimination des nanoparticules de dioxyde de titane après traitement réduit les avantages de ce photocatalyseur, et l'immobilisation du dioxyde de titane (TiO2) sur des matériaux de support peut être réalisée, mais l'immobilisation réduit la surface spécifique par rapport à un catalyseur homogène25. D’un autre côté, une recombinaison rapide des paires électron-trou générées peut diminuer l’activité du photocatalyseur au dioxyde de titane . Par conséquent, certains autres semi-conducteurs tels que le ZrO2 sont utilisés pour améliorer l’activité du TiO2. Le dopage au ZrO2 peut ralentir la recombinaison des paires électron-trou, renforcer le matériau et augmenter la surface spécifique et le rapport des phases cristallines anatase/rutile . Le photocatalyseur ZrO2-TiO2 a été utilisé pour dégrader les composés organiques qui, dans ce composé, ZrO2 agissent comme support ou photocatalyseur dans le système29.