Élimination efficace du polluant cristal violet par photo

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7723 (2023) Citer cet article

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Le procédé photo-Fenton est une méthode appropriée du procédé d'oxydation avancée qui est utilisé dans la photocatalyse de colorants organiques comme le cristal violet (CV). Des nanopoudres d'oxyde de gadolinium et de zirconium Gd(2−x)La(x)Zr2O7 (x = 0,1, 0,2, 0,3 et 0,5) ont été préparées avec succès en utilisant la méthode d'auto-combustion sol-gel à utiliser pour la photocatalyse efficace du CV avec le procédé photo-Fenton. Le défaut bien cristallisé-fluorite, structuré avec le groupe d'espace : Fm-3m, a été détecté par analyse de diffraction des rayons X. Les paramètres de réseau augmentent avec la concentration en ions La3+ évaluée. La taille des grains des poudres synthétisées augmente avec l'augmentation de la teneur en ions La3+. Les motifs SAED représentaient une fluorite structurée en fluorite. UV/Vis. Le spectrophotomètre a été utilisé pour la détermination de l'énergie de la bande interdite des nanopoudres Gd(2−x)La(x)Zr2O7 qui augmentait avec l'augmentation de la teneur en ions La3+. Il s'est avéré qu'il augmentait de 4 à 3,6 eV. Le spectrophotomètre visible a été utilisé pour déterminer des concentrations inconnues pendant le processus de photocatalyse afin d'assurer l'efficacité du processus. Dans l'ensemble, les résultats montrent que la réaction de photo-Fenton sur Gd(2−x)La(x)Zr2O7 a parfaitement réussi à éliminer le cristal violet (CV). Le taux de photo-remédiation du CV a atteint 90 % en 1 h.

Les secteurs du papier, du textile, du cuir, du plastique, de la galvanoplastie, de la transformation des aliments, de la pharmacie et de l'agriculture ne sont que quelques-unes des industries qui ont connu une augmentation du commerce à l'époque contemporaine1,2. Parce que ces secteurs produisent des produits de haute qualité, ils sont importants pour la société dans son ensemble. La majorité des opérations industrielles s'appuient sur des colorants organiques pour colorer leurs produits, puis elles rejettent ces couleurs dans les aquifères d'eau douce, tels que les ruisseaux et les rivières, qui finissent par se jeter dans la mer3,4,5.

Ces colorants sont là depuis longtemps et non seulement ils nuisent gravement à presque tous les types de vie, mais ils perturbent également l'équilibre naturel6,7. Environ 20% de ces couleurs sont déversées dans l'environnement sous forme d'effluents, nuisant à l'écologie. Ces polluants sont extrêmement difficiles à décomposer en raison de leur structure stable8,9. De plus, ces polluants peuvent entraîner des problèmes majeurs chez les personnes, telles que l'irritation des yeux, les allergies cutanées, les mutations génétiques et les problèmes de foie10,11,12.

L'un de ces colorants dangereux, connu sous le nom de cristal violet (CV), est utilisé dans une variété de produits fabriqués par Gram, notamment des engrais, des détergents, des agents bactériostatiques, des colorants pour le cuir et des détergents. C'est un puissant cancérigène pour les créatures marines. De plus, le CV détruit les chromosomes, ce qui entraîne de graves problèmes lorsque les cellules lésées se divisent. De plus, le colorant CV est classé comme colorant cationique de triphénylméthane qui est utilisé dans les secteurs de la teinture du textile et du papier. Divers produits, notamment des engrais, de l'antigel, des détergents et du cuir, sont également colorés à l'aide de cette technique. En tant que coloration histologique, le CV est également utilisé, notamment dans la coloration de Gram pour classer les bactéries13,14.

La perturbation de la vie aquatique et la contamination de l'eau sont causées par le déversement de colorants dans les eaux usées15. En conséquence, une méthode appropriée et efficace pour traiter les eaux usées contenant des colorants, tels que CV16, est nécessaire en raison de la capacité prouvée du colorant à provoquer le cancer et d'autres mutations chez les personnes et les animaux17 et les humains est essentielle. Les oxydants et coagulants traditionnels, ainsi que la biodégradation, la coagulation, l'adsorption et le dépôt physique, se sont révélés insuffisants pour traiter le CV18,19.

D'autre part, de meilleurs oxydants, la catalyse par micro-ondes, la photocatalyse, la technologie membranaire et les procédés d'oxydation avancés (AOP) semblent prometteurs pour la décoloration CV20,21,22. Le défaut fondamental du traitement physique est qu'il ne fait que déplacer les colorants d'une forme liquide à une forme solide, difficile à nettoyer. De ce fait, pour dégrader ces polluants, les traitements chimiques mettant en œuvre des AOP, notamment la photocatalyse hétérogène, ont suscité l'intérêt 23.

Selon Wang et al.24, les oxydes métalliques dans les AOP hétérogènes produisent de puissants radicaux hydroxyles non sélectifs (HO•) qui décomposent une gamme de contaminants organiques en acides aliphatiques à chaîne courte, qui peuvent être plus facilement éliminés25. Dans la lumière UV-visible, le processus de paire électron-trou est nécessaire pour introduire des molécules organiques intermédiaires qui peuvent se minéraliser complètement à la surface de l'oxyde métallique, produisant des produits finaux verts. Étant donné que la lumière visible est moins chère que la lumière UV d'un point de vue économique, la manière dont les nouveaux photocatalyseurs de taille nanométrique y répondent a été largement étudiée.

Dans des travaux antérieurs, de nombreux matériaux ont été introduits dans le processus de photocatalyse des colorants contenus dans les eaux usées. La nanosphère de TiO2, les NP ZnO dopés au Mn et coiffés de PVP, le Ti-dopé-Bi2O3 modifié à l'Ag, le ZnS NPS, le nanocomposite CeO2-TiO2, le nanocomposite AgBr-ZnO et l'alginate de sodium greffé/ZnO/oxyde de graphène ont tous été utilisés pour décolorer le CV26. Liu et al.27 ont utilisé PM-Fe/Ni/H2O2 dans la dégradation du cristal violet avec une réaction de type Fenton par une réaction de type Fenton. Oladipo et al.28 ont préparé des nanoparticules de cadmium coiffées d'octadécylamine CdS à utiliser dans le processus de photodégradation CV. ZnO/CNA a également été préparé pour la dégradation du CV par Messaoudi et al.29 et de nombreux matériaux sont utilisés pour la dégradation du CV ainsi que d'autres colorants organiques.

Les performances des oxydes susmentionnés seront ensuite évaluées et les résultats de la présente étude seront contrastés. Dans ce travail, l'incorporation de lanthane avec Gd2Zr2O7 a été discutée pour améliorer la valeur de la valeur de l'écart d'énergie pour qu'elle soit appropriée pour le processus de photocatalyse, en particulier par la méthode de type Fenton. La raison pour laquelle nous avons choisi le pyrochlore est sa bonne capacité à la photodégradation des colorants organiques en raison de sa composition chimique qui le distingue des autres composés. Cette caractéristique en fait un bon photocatalyseur. Étant donné que de nombreux types de pyrochlore étaient utilisés auparavant dans les processus d'analyse, nous avons utilisé du pyrochlore avec de nouveaux éléments Gd(2−x)La(x)Zr2O7 qui ont des caractéristiques distinctives les rendant compatibles avec l'objectif de la photocatalyse. Gd(2−x)La(x)Zr2O7 se distinguent aussi des autres par plus de caractéristiques et cela assure la nouveauté de ce travail.

Pour comprendre en profondeur les caractéristiques fascinantes du pyrochlore, nous devons connaître sa classification et sa composition. Les oxydes à structure pyrochlorée offrent une large gamme de compositions qui conduisent à des caractéristiques et des applications exceptionnelles dans la supraconductivité, les revêtements de barrière thermique, la luminescence et le ferromagnétisme. Le pyrochlore a la formule générale A2B2O6O (A = Y ou terre rare ; B = Ti, Zr, Hf, Sn, Tc ou Pb)30. La structure pyrochlore est une variante de superstructure de la structure fluorite simple (AO2 = A4O8, avec les cations A et B disposés le long de la direction 110). La lacune anionique supplémentaire se trouve dans l'interstice tétraédrique entre deux cations du site B. La frustration géométrique et les nouveaux effets magnétiques sont particulièrement vulnérables dans ces systèmes. Les isolants électroniques (par exemple, La2Zr2O7), les conducteurs ioniques (par exemple, Gd1.9Ca0.1Ti2O6.9), les conducteurs ioniques et électroniques mixtes, les systèmes de glace de spin (Dy2Ti2O7), les systèmes de verre de spin (Y2Mo2O7) et les systèmes de chaîne Haldane (Tl2Ru2O7) font partie des propriétés physiques de la structure du pyrochlore (Cd2Re2O7). Des structures plus désordonnées, telles que les pyrochlores de bismuth, ont également été étudiées en raison de leurs fascinantes propriétés diélectriques à haute fréquence.

Fait intéressant, ici, les zirconates de terres rares de formule Ln2Zr2O7 (Ln = La–Gd) correspondent au type structural du pyrochlore, qui à son tour appartient à la série homologue de la fluorite. La structure pyrochlore, telle qu'elle est connue, est une variante de la structure fluorite dans laquelle 1/8 de l'oxygène est éliminé et les lacunes d'oxygène sont quelque peu ordonnées31,32,33. Par conséquent, l'effet du Gd2Zr2O7 substitué par La3+ sur les paramètres structuraux, la taille des cristallites, la microstructure et les propriétés optiques a été pris en compte. Pendant ce temps, CV a été sélectionné comme modèle de contaminant organique induit par la cible pour tester les performances photo-Fenton des nanoparticules de Gd2Zr2O7 substituées par La3+.

Les matériaux utilisés dans le processus de préparation comprennent le nitrate de gadolinium hexahydraté Gd(NO3)3. 6H2O fourni par Alfa Aesar Co., ainsi que l'octahydrate d'oxychlorure de zirconyle ZrOCl2.8H2O d'Alpha Chemika Co. et l'acide tartrique COOH(CHOH)2COOH de Lanxess Co.

La technique d'auto-combustion sol-gel sera utilisée pour créer des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7, où x est égal à (0,1, 02, 0,3 et 0,5). Après mélange, ZrOCl2.8H2O et GdH12N3O15 ont été dissous dans 40 ml d'eau distillée dans un rapport molaire de 1:1. L'acide tartrique, qui fonctionne comme un carburant, sera ajouté au mélange sur un réchauffeur réglé à 350 ° C jusqu'à ce qu'un sol-gel se forme. D'après cela. Le sol-gel sera séché dans une étuve à 100 °C pendant 24 h. Enfin, l'échantillon séché sera cuit dans un four à 1100 °C pendant deux heures pour générer des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La composition de phase, la cristallinité, la taille des cristallites et les paramètres structurels des différents échantillons avec le rayonnement Cu Kα ont été établis sur la base des diagrammes de diffraction du diffractomètre à rayons X (Philips PW 1390). Le spectrophotomètre Nicolet iS 10 de Thermo Scientific est fréquemment utilisé pour mesurer les spectres d'absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) d'échantillons préparés à température ambiante, qui vont de 4 000 à 400 cm−1. L'échantillon testé a été créé à l'aide de la procédure de compression, qui impliquait de mélanger 200 mg de KBr et 2 mg d'échantillons de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 en poudre pour créer un disque transparent. La technique de spectrophotométrie UV/Vis/Near IR (un Jasco V770, Japon) est la technologie utilisée pour étudier les propriétés optiques et l'écart d'énergie optique. La microstructure des particules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 a été inspectée par microscopie électronique à transmission (Jeol JEM-1011, Japon).

Dans la partie visible du spectre électromagnétique, le cristal violet possède une large bande d'absorption (591 nm). Malgré son utilisation dans les secteurs textile, culinaire et cosmétique, le colorant CV peut endommager les milieux aquatiques.

Comme le montre la Fig. 1., en utilisant les nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 comme modèle, il a été choisi comme polluant organique cible pour étudier sa dégradation en présence de rayonnement UV. Les expériences d'oxydation photocatalytique ont été réalisées dans un bécher de 100 ml monté sur un agitateur magnétique et exposé à deux lampes UV parallèles de 36 watts au-dessus du bécher, qui était logé dans une lame à parois intérieures argentées. Pour assurer une dispersion uniforme du photocatalyseur et faciliter l'établissement d'un équilibre d'adsorption-désorption, le catalyseur a été introduit dans un bécher contenant 50 mL d'une solution aqueuse de CV (10 ppm). Une solution de 33 % de H2O2 dans 1 ml a été ajoutée au récipient de réaction. On pense que la réaction a commencé avec l'ajout de H2O2. A intervalles réguliers au cours de la procédure, des aliquotes liquides ont été prélevées du récipient (15 min). Une centrifugation a été effectuée sur le liquide avant analyse. Les solutions liquides ont été analysées à l'aide d'un spectrophotomètre visible après les réactions. Sur la base de la vitesse de dégradation du colorant organique, des investigations cinétiques ont été réalisées. Les processus de dégradation des molécules de colorant peuvent être exprimés comme suit en utilisant le modèle de Langmuir-Hinshelwood, qui adopte que la dégradation du colorant suit une cinétique de pseudo-premier ordre :

Représentation graphique du processus de photocatalyse du CV à l'aide de nanoparticules Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

L'intégration de cette équation donne la relation suivante, avec la restriction que C = Co à t = 0, où Co est la concentration initiale dans la solution en vrac après adsorption à l'obscurité et t est le temps de réaction.

Dans cette équation, Ao représente l'absorbance initiale du colorant et T représente l'absorbance du colorant au temps t. t est la durée pendant laquelle le colorant a été exposé à la lumière et Kapp est la constante de vitesse de réaction apparente. La pente des tracés linéaires sur un graphique de − ln[At/A0] en fonction du temps doit être égale à la constante de vitesse apparente du premier ordre (Kapp). Les valeurs de Kapp montrent à quelle vitesse les matériaux photocatalyseurs décomposent les molécules CV lorsque H2O2 et la lumière visible sont présents. L'efficacité d'élimination du CV (η) a été déterminée de la manière suivante :

Beer-law Lambert déclare que l'absorbance du colorant est proportionnelle à sa concentration en colorant CV.

Le travail soumis est original et n'a pas été publié ailleurs sous quelque forme ou langue que ce soit (partiellement ou en totalité). Tous les auteurs ont accepté le contenu qu'ils ont tous donné leur consentement explicite à soumettre, et qu'ils ont obtenu le consentement des autorités responsables de l'institut/organisation où le travail a été effectué.

Le diagramme de diffraction des rayons X de Gd (2 − x) La (x) Zr2O7 fabriqué sur la base d'une voie d'auto-combustion sol-gel avec de l'acide tartrique comme combustible et recuit à 1100 ° C pendant 2 h est illustré à la Fig. d2Zr2O7 avec le groupe spatial : Fm-3 m (PDF#80–0471) à 2θ = 29,41°, 34,12°, 48,90°, 58,26° et 61,18° ont été détectés et ces résultats sont en bon accord avec d'autres recherches34,35. Cependant, les superstructures de pyrochlore à 111 (14°), 311 (28°), 331 (37°) et 511 (45°) (groupe d'espace : Fd-3 m) n'ont pas été trouvées. En raison de la proximité de la structure Gd2Zr2O7 avec la bordure géométrique de la transition pyrochlore-fluorite (RGd/RZr = 1,46), l'ordre 100 % n'est pas reconnu et est attribué à l'inversion des atomes. Le mouvement de 10% des atomes d'oxygène des sites O1 vers les sites O3 initialement inoccupés est ce qui provoque le désordre dans le sous-réseau d'oxygène.

DRX de nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7, Gd2Zr2O7 (JCPD01-080–0471(c)).

Le matériau à base de zirconate d'oxyde de terre rare préparé est principalement. Il a une structure cristalline de pyrochlore ou de fluorite. Pyrochlores générés à partir de (La1-xGdx)2Zr2O7, Si la structure cristalline est expliquée en utilisant La2Zr2O7 comme exemple, le cation La3+ est dans une position cristallographique spécifique, 16c (0, 0, 0) (A), Zr4+ Le cation occupe 16d sites (1/2, 1/2, 1/2) (sites B), Sur le plan (001), il alternativement dans la direction [110] et le sens [− 110]. Un réseau ordonné dans lequel les cations de A et B sont disposés dans une structure en rangées. Pour l'ion oxygène, il y a deux 48f. postes.

où la longueur d'onde de la cible Cu est de 1,5406 nm, dRX est la taille des cristallites, k = 0,9 est un facteur de correction pour tenir compte des morphologies des particules, FWHM est la pleine largeur à mi-hauteur et est l'angle de Bragg. Comme le montre le tableau 1, la moyenne a été découverte à 27,75 nm à x = 0,1, 38,525 nm à x = 0,2, 40,76 nm à x = 0,3 et 30,85 à x = 0,5. En utilisant l'équation de Bragg, a = dhkl \(\sqrt{{h}^{2}+{k}^{2}+{I}^{2}}\), le paramètre de réseau (a) des poudres de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 synthétisées a été estimé. d représente l'espacement interplanaire du pic de diffraction primaire.

Il existe des propriétés similaires entre La et Gd pour être des substituants l'un pour l'autre. La structure électronique pour les deux respectivement, [Xe] 5d1 6s2 et [Xe] 4f7 5d1 6s2. Les rayons atomiques sont respectivement de 195 et 233 pm. Par conséquent, les résultats de la taille des cristallites en nm et des paramètres de réseau pour Gd(2−x)La(x)Zr2O7 sont très raisonnables.

Les spectres FT-IR de l'échantillon synthétisé sont présentés à la Fig. 3. Il convient d'observer que le pic d'absorption entre les nombres d'onde 1640 cm−1 et 3425 cm−1 est lié à la flexion et à la vibration de OH dans l'eau attribuable à l'eau qui a été absorbée de l'atmosphère34. Les bandes d'absorption à 547 et 1425 cm−1 sont causées par les vibrations Gd–O. Le pic reconnaissable à 715 cm−1 est corrélé aux vibrations liées à l'étirement Zr–O–Zr. La vibration d'étirement de la liaison M–O (M=Zr–Gd) produit un pic distinctif à 847 et 666 cm−1. Les pics à 1505, 1398 et 1080 cm−1 sont associés aux vibrations Zr–OH35.

FTIR des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La surface de fracture de Gd (2 − x) La (x) Zr2O7 où x = 0, 1 et 0, 5, est distinguée à l'aide des images TEM présentées à la Fig. 4. Le taux de croissance des grains a augmenté avec la concentration en ions La3 + évaluée. Le grain présente une structure cubique avec un certain degré d'agglomération. La taille des particules a été augmentée de 20 à 50 nm avec une augmentation supplémentaire des ions La3+. De tels résultats peuvent être expliqués sur la base du changement de rayon ionique entre les ions La3+ et Gd3+. Les diagrammes de diffraction SAED indiqués sur la figure 4 étaient en accord avec une structure de fluorite structurée par défaut-fluorite.

Micrographies TEM de nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La figure 5 indique le diagramme de diffraction électronique des nanoparticules Gd(2−x)La(x)Zr2O7 qui prouve les résultats des rayons X et les deux prouvent les caractéristiques cristallines des échantillons préparés.

Diagramme de diffraction électronique des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La bande interdite optique des luminophores Gd(2−x)La(x)Zr2O7 est identique à celle de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 elle-même basée sur la théorie de Kubelka-Munk et la réflectance spectrale UV-Vis diffuse La Fig. 6 illustre le spectre de réflectance diffuse de l'échantillon.

Spectre de réflectance diffuse des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

De la mesure des UV/Vis. analyse, on constate une augmentation des spectres d'absorbance de l'eau contaminée (solutions de cristal violet) avec l'augmentation du temps de purification. La fonction Kubelka – Munk (K – M) est utilisée pour transformer les spectres de réflectance en spectres d'absorption comparables, comme illustré à la Fig. 7.

Diagramme de Kubelka–Munk de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 pur.

Les descriptions des équations suivantes, qui ont été obtenues à partir de la littérature pour le calcul de Eg, indiquent le type de transition qui a été pris en considération.

n = 2 pour une transition autorisée indirecte (représentée par h)1/2 contre E), n = 3 pour une transition interdite indirecte (représentée par h)1/3 contre E), n = 3/2 pour une transition directe interdite et n = 1/2 pour une transition directe autorisée. (Eg signifie la bande interdite (eV), h la constante de Planck (Js), B la constante d'absorption, v la fréquence lumineuse (s−1) et (α) le coefficient d'extinction, qui est proportionnel à F. (R). Le meilleur ajustement linéaire dans les spectres d'absorption peut être utilisé pour calculer expérimentalement la valeur n pour une transition particulière en utilisant plusieurs formules.

Au-dessous de la bande de conduction, qui atteignait le maximum de la bande de valence, les états Gd d étaient observés. Les états La d de La2Zr2O7 sont connectés aux états Gd d qui s'étendent dans la direction de la bande interdite. Dans le système Gd16Zr16O56, la bande de valence est principalement apportée par les états O p, tandis que la bande de conduction est produite par les états Zr d. Les états Gd d ont un couplage partiel aux bandes de valence et de conduction et une apparition de bande interdite partielle. Variations de la conductivité thermique de La2Zr2O7 et Gd2Zr2O7 avec différentes concentrations de La/Gd36.

La figure 8 illustre la courbe d'étalonnage finale utilisée pour calculer la concentration des solutions de cristal violet pendant le processus de purification en utilisant les informations sur l'absorbance dépendante de la longueur d'onde des solutions (591 nm).

Courbe d'étalonnage des solutions de cristal violet.

L'équation conclue est :

D'après l'examen des mesures du spectrophotomètre visible, les spectres d'absorbance de l'eau contaminée (solutions de cristal violet) augmentent au fur et à mesure que le temps de purification augmente. À partir de la solution de cristal violet, des concentrations connues de 1, 2, 3,… et 10 ppm ont été générées. En utilisant un spectrophotomètre visible pour mesurer leur spectre d'absorbance, une courbe d'étalonnage pour ces concentrations a été créée, et une équation a ensuite été développée pour utiliser leur absorbance pour calculer les quantités inconnues qui découleraient de la procédure de purification, comme illustré à la Fig. 9.

Absorbance d'une solution à 10 ppm de cristal violet après traitement avec (a)H2O2 uniquement, 0,05 g de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 sans H2O2 où (c) x = 0,1, (g) x = 0,2, (k) x = 0,3, (o) = 0,5, également avec H2O2 où (e) = 0,1, (i) = 0,2, (m) = 0,3, (q) = 0,5 et (b–r) sont la conversion des concentrations C/C0 en fonction du temps pour le processus de dégradation où (s) est le chiffre des données combinées.

Il a été soumis à un test de photocatalyseur en utilisant une solution de cristal violet (10 ppm) avec des intervalles de 15 min entre 0 et 90 min. Des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ont été utilisées comme catalyseur pour la réaction de type Fenton à purifier en étant exposées à une solution de peroxyde d'hydrogène (32 watts). Différentes recherches ont été menées avec de nombreux matériaux pour la décoloration du cristal violet par photodégradation ou même réaction de type Fenton comme le montre le tableau 3 et les nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 se sont révélées d'une grande efficacité par rapport à ces matériaux.

Il est à noter que Gd(2−x)La(x)Zr2O7 n'a jamais été utilisé avec la même composition dans le procédé de photocatalyse, selon notre considération. Selon l'étude de la littérature, il existe deux types de recherches ou plus qui ont préparé les mêmes éléments utilisés dans notre recherche, mais avec une composition différente, dont la base est La2Zr2O7, avec des substitutions de gadolinium, contrairement à notre recherche dans laquelle G2Zr2O7 est la base. De plus, cette composition n'a pas été utilisée dans le processus de purification de l'eau, ce qui indique que notre recherche est l'une des premières recherches à avoir utilisé Gd(2−x)La(x)Zr2O7 avec la même méthode dans le processus de photocatalyse37,38.

La procédure de purification a été effectuée dans des conditions identiques en utilisant de l'oxyde de zirconium gadolinium seul, du peroxyde d'hydrogène seul à nouveau, puis les deux combinés avec 1 ml de peroxyde d'hydrogène et 0,025 g de pyrochlore dans 50 ml de solution de cristal violet. Il a été observé que le pyrochlore seul démontrait une efficacité respectable et que cette efficacité était augmentée en l'associant au peroxyde d'hydrogène. Ils ont montré une dégradation rapide du cristal violet, passant d'une concentration de 10 ppm à 0 ppm en moins de 90 min. En comparant avec d'autres recherches, la plupart d'entre elles ont utilisé le même pourcentage de photocatalyseur dans le processus de traitement des eaux usées39.

Le tableau 2 montre les valeurs de changement de concentration ou de concentration relative (C/C0) pour les solutions de cristal violet (50 ml) au cours du processus de purification. Le procédé de photocatalyse a été réalisé en trois catégories parallèles. Le premier d'entre eux comprenait la photocatalyse d'une solution de cristal violet (50 ml) en utilisant 1 ml de peroxyde d'hydrogène seul (H2O2). La seconde a procédé avec du pyrochlore Gd(2−x)La(x)Zr2O7 en plus du peroxyde d'hydrogène. La dernière a été réalisée en utilisant du pyrochlore Gd(2−x)La(x)Zr2O7 seul (nanopoudre Gd(2−x)La(x)Zr2O7). De plus, toutes ces catégories ont procédé sous l'influence d'un rayonnement ultraviolet dans lequel l'échantillon a été prélevé pour analyse toutes les 15 min.

L'efficacité de la photocatalyse est un paramètre essentiel qui doit être pris en considération. Dans le cas de la photocatalyse avec des nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 seules, il s'est avéré une efficacité moyenne selon les valeurs de concentration relative (C/C0) du tableau 2.

Pour la catalyse avec du pyrochlore en plus du peroxyde d'hydrogène, l'interprétation est légèrement différente, car elle se fait avec un procédé appelé Fenton-Like Reaction, et dans ce cas, le peroxyde d'hydrogène est indispensable. Similaire à la situation d'épuration au peroxyde d'hydrogène seul, ce cas se caractérise par sa grande efficacité et un taux d'élimination proche de zéro dans un temps également proche de 90 min. Bien qu'il puisse sembler superficiellement que le pyrochlore Gd(2−x)La(x)Zr2O7 n'ait aucune fonction tant que nous obtenons le même pourcentage avec ou sans, la réalité est assez différente. L'efficacité du procédé de purification dans le cas du pyrochlore avec du peroxyde d'hydrogène est meilleure que le peroxyde d'hydrogène seul, même si on obtient la même efficacité environ au bout de la période de purification de 90 min selon les valeurs des concentrations relatives5. Ainsi, il a été constaté que l'efficacité de l'approche Fenton-Like, qui comprend du pyrochlore et du peroxyde d'hydrogène, est supérieure au pyrochlore seul en début de procédé. De plus, nous avons utilisé une très faible concentration de pyrochlore, jusqu'à 0,025 g pour 50 ml de polluant. Si ce pourcentage est augmenté, le processus de purification sera accéléré. et prouve ainsi l'efficacité du pyrochlore dans le processus de dégradation en employant une réaction de type Fenton (tableau 3).

Dans ce contexte, la méthode photocatalytique est caractérisée par la séparation des paires électron/trou (e-/h+) et la séparation des porteurs photogénérés peut être liée à la phase cristalline, au rapport d'aspect des nanopoudres, à la structure électronique des facettes et aux défauts. La réaction Eqs. (6)–(19) peut être utilisé pour représenter le mécanisme de dégradation photocatalytique du colorant cristal violet40.

Les nanoparticules VB (h+) photogénérées se combinent avec H2O ou OH- pour former OH· via la réaction suivante avec une activité évaluée et décomposent indirectement la molécule de colorant41.

Du fait de la présence de groupements hydroxyles, d'eau et d'oxygène à la surface des nanoparticules de (Gd(2−x)La(x)Zr2O7, les électrons (e−) dans la bande de conduction réagissent avec les espèces absorbées sur la surface de (Gd(2−x)La(x)Zr2O7, les radicaux libres pour générer O2·−, et suite aux étapes suivantes, il en résulte la génération de radicaux OH·.

Enfin, les agents produits dégradent la pollution tinctoriale.

On sait que l'utilisation de H2O2 en combinaison avec le photocatalyseur s'est avérée efficace pour éliminer les espèces organiques dangereuses de l'eau. H2O2 peut entraver la recombinaison de surface des paires électron-trou et stimuler la production de radicaux hydroxyles5.

En raison de sa réaction avec les trous de la bande de valence et les électrons de la bande de conduction dans les systèmes photocatalytiques, H2O2 augmente la concentration des radicaux ·OH et ·O2. H2O2 peut réagir avec les radicaux ·OH, HO2· ou ·O2 pour produire d'autres radicaux (Eqs. 20–25). Les espèces oxydantes interagissent entre elles ou avec les trous qu'elles créent pour produire de l'O2 (Eqs. 26, 27). De plus, l'exposition à la lumière UV sur H2O2 entraîne la formation de radicaux hydroxyle (Eq. 28).

Les grandes différences proviennent principalement de l'énergie thermique photo-induite, qui chauffe in situ les sites actifs pour abaisser la barrière d'activation H2O244.

En résumé, Gd(2−x)La(x)Zr2O7 avec un rapport Gd/La variable a été préparé avec succès en utilisant une approche d'auto-combustion sol-gel basée sur l'acide tartrique comme combustible. Les nanopoudres de Gd2Zr2O7 substituées en La existaient dans une phase fluorite défectueuse. La taille des cristallites des nanoparticules synthétisées s'est avérée être de 28,5 à 39,2 nm. Le volume cellulaire unitaire était de 1,2 × 10–21 cm3. La taille des grains de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 augmente avec l'augmentation de la teneur en ions La3+. La plupart des particules synthétisées présentent une structure de type cubique. Le spectre de réflectance diffuse a confirmé que les particules synthétisées sont hautement transmissives. L'énergie de la bande interdite des échantillons de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 synthétisés s'est avérée être (4–3,6 eV). Enfin, l'effet synergique de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 et H2O2 possédait une réaction d'oxydation avancée avec une grande efficacité vis-à-vis de la dégradation des polluants organiques, tels que le colorant cristal violet, de manière rentable et en peu de temps.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article.

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Faculté des sciences, New Mansoura University, International Coastal Rd, New Mansoura City, Dakahlia, Égypte

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AM Abdelghany

Département de physique, Faculté des sciences, Université de Mansoura, Mansoura, 35516, Égypte

AH Oraby & EM Abdelrazek

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MM Rashad

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MA a conçu la recherche et mené les expériences. AMA a révisé la recherche et la conception. L'AHO et l'EMA ont révisé la recherche. MR a discuté des résultats depuis le début et a révisé la recherche dans sa forme finale. Tous les auteurs ont accepté de publier ce manuscrit.

Correspondance à M. Abdelbaky.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Abdelbaky, M., Abdelghany, AM, Oraby, AH et al. Élimination efficace du polluant cristal violet par procédé photo-Fenton à base de nanoparticules de Gd(2−x)La(x)Zr2O7. Sci Rep 13, 7723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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Reçu : 05 février 2023

Accepté : 09 mai 2023

Publié: 12 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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