Hidden Gems of Ilmenite As A Photocatalyst
Η φωτοκατάλυση είναι μια επιτάχυνση μιας φωτοαντίδρασης παρουσία φωτός από έναν φωτοκαταλύτη. Καθώς ο φωτοκαταλύτης εκτίθεται στο φως (δηλαδή στο φως UV), θα δημιουργηθούν ισχυρές οξειδωτικές ρίζες. Αυτές οι κοινώς γνωστές ρίζες είναι το υδροξύλιο (OH•) και το υπεροξείδιο (O2 •). Έχει αναφερθεί καλά ότι αυτές οι ρίζες είναι υπεύθυνες για την αποικοδόμηση των ανθεκτικών οργανικών ενώσεων σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό.
Υπάρχουν πολλοί φωτοκαταλύτες που έχουν μελετηθεί και ένα από τα πιο εμβληματικά παραδείγματα είναι το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2 ). Το σχήμα 1 δείχνει τον μηχανισμό του TiO2 ως φωτοκαταλύτης. Στην αρχή, TiO2 ακτινοβολείται από φωτεινή ενέργεια και στη συνέχεια προκαλεί το ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους να μεταπηδήσει στη ζώνη αγωγιμότητας. Αυτό δημιουργεί μια θετική οπή (h) και ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο (e) στη ζώνη σθένους και αγωγιμότητας, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο και οι οπές παράγουν οξειδωτικά μέσα για την αποικοδόμηση οργανικών ρύπων.
Αν και TiO2 καταφέρνει να φωτοδιασπά τους οργανικούς ρύπους, είναι αποτελεσματικό μόνο υπό το υπεριώδες φως, το οποίο αποτελεί μόνο το 5% του φάσματος του ηλιακού φωτός. Ως εκ τούτου, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την αύξηση της απόδοσης του TiO2 στο ορατό φως με ντόπινγκ μετάλλων όπως ο σίδηρος, το μαγνήσιο, το βανάδιο, κ.λπ. Με άλλα λόγια, πολλοί ερευνητές προσθέτουν πίσω μια κατάλληλη ποσότητα προσμίκτη στο TiO2 . Ωστόσο, υπάρχει έλλειψη μελετών για φυσικά ορυκτά που αποτελούνται από TiO2 , όπως ο Ilmenite, ο οποίος περιέχει ήδη το πρόσμιγμα όπως ο σίδηρος ως πιθανό φωτοκαταλύτη.
Ο ιλμενίτης είναι ένα φυσικό ορυκτό, γνωστό και ως μανακκανίτης, που περιέχει ορυκτό τιτανίου-οξειδίου του σιδήρου με τον εξιδανικευμένο τύπο FeTiO3. Τα φυσικά χαρακτηριστικά και η δομή του Ilmenite εμφανίζονται στο Σχ. 2. Γενικά, TiO2 εξάγεται από τον ιλμενίτη επειδή υπάρχει ένα τεράστιο κοίτασμα αυτού του ορυκτού σε κάθε ήπειρο στη Γη. Δεδομένου ότι ο Ilmenite αποτελείται από TiO2 , θα μπορούσε αυτό το ορυκτό να έχει φωτοκαταλυτική δραστηριότητα;
Θεωρητικά, ο Ilmenite θα πρέπει να έχει φωτοκαταλυτικές ιδιότητες χάρη στην ύπαρξη του TiO2 . Ωστόσο, οι φωτοκαταλυτικές ιδιότητες του Ilmenite θα μπορούσαν να είναι χαμηλότερες από αυτές του TiO2 λόγω της παρουσίας ιόντων σιδήρου και άλλων ξένων υλικών στη δομή του. Από την άλλη πλευρά, τα ιόντα σιδήρου θα μπορούσαν επίσης να δημιουργήσουν εύκολη δίοδο για το διεγερμένο ηλεκτρόνιο να φτάσει σε ζώνες αγωγιμότητας πριν από το σχηματισμό του ΟΗ•. Έτσι, μπορεί να λειτουργεί σε εύρος ορατού φωτός. Το 2011, πραγματοποιήθηκε μια μελέτη για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του Ilmenite για τη φωτοαποικοδόμηση της φαινόλης. Αυτή η μελέτη δεν αποκάλυψε την πλήρη εικόνα του Ilmenite ως φωτοκαταλύτη επειδή δεν ελήφθησαν υπόψη αρκετοί παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, το pH κ.λπ.
Πρόσφατα, ο Ilmenite επέδειξε υψηλή φωτοκαταλυτική αποτελεσματικότητα κάτω από ακτινοβολία ηλιακού φωτός, η οποία ήταν ικανή να φωτοαποικοδομήσει πλήρως το αντιδραστικό μπλε 5 (μια αζωχρωστική) σε 2 ώρες. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι η πλήρης χωρητικότητα του ιλμενίτη αποκαλύφθηκε υπό όξινες συνθήκες λόγω της φύσης του επιφανειακού φορτίου του ιλμενίτη. Ο ιλμενίτης είχε επιφάνεια αρνητικού φορτίου σε ουδέτερο περιβάλλον (pH 7) και το επιφανειακό φορτίο μετατοπίστηκε σε θετικό στην περιοχή pH 1 – 4, ανάλογα με την πηγή προέλευσης. Για το λόγο αυτό, η επιφάνεια του θετικού φορτίου ήταν εύκολο να προσελκύσει αρνητικά φορτισμένη αζωχρωστική στην επιφάνεια του ιλμενίτη καθώς η φωτοαποικοδόμηση συνέβη στην επιφάνεια του καταλύτη.
Σε μια άλλη μελέτη, ο Ilemnite υποβλήθηκε σε προεπεξεργασία με υδροχλωρικό οξύ προκειμένου να συντονιστεί η περιεκτικότητα σε σίδηρο. Αυτό συμβαίνει επειδή υψηλές ποσότητες σιδήρου στη δομή θα καθυστερούσαν τη φωτοκατάλυση επειδή η περίσσεια σιδήρου χρησιμεύει ως κέντρο ανασυνδυασμού για διεγερμένα ηλεκτρόνια μέσω της κβαντικής σήραγγας. Ως εκ τούτου, ο γρήγορος ανασυνδυασμός θα καταστείλει τον σχηματισμό αυτών των ριζών.
Ο προεπεξεργασμένος Ilmenite έχει υψηλή φωτοκαταλυτική δράση λόγω διαφόρων συνεργιστικών επιδράσεων όπως χαμηλό διάκενο ζώνης (2,84 eV), υψηλή επιφάνεια (37 m/g) και χαμηλό ρυθμό ανασυνδυασμού. Ο προεπεξεργασμένος Ilmenite με κατάλληλες ποσότητες σιδήρου (1,62 at.%) κατάφερε να φωτοαποικοδομήση πλήρως τη χρωστική RB5 μέσα σε 30 λεπτά σε pH 3 υπό ηλιακή ακτινοβολία σε σύγκριση με τον ακατέργαστο Ilmenite, ο οποίος πέτυχε μόνο 40% φωτοαποικοδόμηση υπό τις ίδιες συνθήκες . Αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για την επανάσταση στους φωτοκαταλύτες χρησιμοποιώντας το Ilmenite, το οποίο είναι ένα φυσικό ορυκτό.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Η σχέση μεταξύ σιδήρου και ιλμενίτη για την αποικοδόμηση φωτοκαταλύτη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Powder Technology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Ru Bin Lee, Kian Mun Lee και Chin Wei Lai από το University of Malaya, Guan-Ting Pan και Thomas C.K. Ο Yang από το Εθνικό Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Ταϊπέι και ο Joon Ching Juan από το Πανεπιστήμιο της Malaya και την πανεπιστημιούπολη Sunway του Πανεπιστημίου Monash. Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται επίσης στο άρθρο με τίτλο Ilmenite:Properties and photodegradation kinetic on reactive black 5 dye, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Chinese Chemical Letters. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Ru-Bin Lee, Joon-Ching Juan, Chin-Wei Lai και Kian-Mun Lee από το University of Malaya.
