Fluorine-Free Superhydrophobic BiFeO₃@g-C₃N₄/TEOS-PDMS Cotton Fabric with Magnetic Recoverability for Oil–Water Separation and Z-Scheme Photocatalytic Dye Degradation

技術要約：フッ素フリー超撥水性 BiFeO₃@g-C₃N₄/TEOS-PDMS 綿織物

問題提起
繊維染色および石油化学産業は、有機染料や油汚染物質を大量に排出する主要な汚染源である。凝集沈殿や膜ろ過といった従来の処理手法は、しばしば高いエネルギー消費、低い効率、および二次廃棄物の発生という課題を抱えている。さらに、既存の超撥水性テキスタイルソリューションの多くは、生物蓄積性による深刻な環境および健康リスクを伴うフッ素化合物（PFAS）に依存している。TiO₂のような光触媒材料は分解能を提供するものの、その広いバンドギャップによりUV光での活性化に制限があり、単一成分の半導体はしばとも電荷キャリアの急速な再結合に悩まされることが多い。したがって、油水分離、磁気回収、および可視光駆動型光触媒を単一のテキスタイル基材上に統合した、持続可能でフッ素フリーの多機能プラットフォームが切実に求められている。

方法論
本研究では、ゾルゲル法およびディップコーティング法を用いてスマートコットンファブリックを開発した。プロセスは主に以下の3つの段階で構成される：

1. ナノ複合体の合成： 磁性ペロブスカイトBiFeO₃ナノ粒子を、改良型ゾルゲル法に続く水熱熟成および焼成を用いて合成した。グラファイト状窒化炭素（g-C₃N₄）は、メラミンの熱重合により生成した。これら2つの成分を超音波分散によって組み合わせ、BiFeO₃@g-C₃N₄ナノ複合体を形成した。
2. 布地コーティング： ナノ複合体はまず100%綿デニム生地上に堆積された。続いて、テトラエチルオルトシリケート（TEOS）とポリジメチルシロキサン（PDMS）からなるフッ素フリーの疎水性マトリックスを塗布した。このシロキサンネットワークが、ナノ複合体を繊維に架橋し、低表面エネルギーを付与する役割を果たす。
3. 特性評価および試験： 材料はXRD、FTIR、SEM-EDX、XPS、VSM、およびDRSを用いて分析された。性能評価には以下が含まれる：
   • 濡れ性： 水接触角（WCA）測定およびセルフクリーニング試験。
   • 耐久性： 機械的摩耗（サンドペーパー）および化学的安定性（酸、塩基、塩、および有機溶媒）試験。
   • 油水分離： 軽質油（n-ヘキサン）および重質油（ジクロロメタン）に対する重力駆動型ろ過、および磁気誘導による能動的回収。
   • 光触媒能： UVAおよび可視光下でのローダミンB（RhB）の分解、および反応メカニズムを決定するためのラジカルスカベンジャー実験。

主な貢献

• フッ素フリー設計： 本システムはTEOS-PDMSシロキサンネットワークを利用しており、有害なペルフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質（PFAS）の使用を排除している。
• Zスキーム光触媒： BiFeO₃とg-C₃N₄の統合により、直接的なZスキームヘテロ接合が形成される。この構造は、界面における弱い電子と正孔の再結合を促進することで強力な酸化還元電位を維持し、活性酸素種（ROS）の生成を強化する。
• 多機能の統合： 本プラットフォームは、超撥水性／超親油性、磁気回収性（強磁性BiFeO₃による）、および光触媒によるセルフクリーニングを、単一のコットン基材上でユニークに組み合わせている。
• 双方向分離： 本布地は、水より軽い油および水より重い油の両方の系に対して、効果的な重力駆動型分離を実現する。

結果

• 構造および磁気特性： 特性評価により、BiFeO₃@g-C₃N₄が架橋されたシロキサンネットワーク内に正常に定着していることが確認された。布地は30.62 emu/gの飽和磁化（Ms）を持つ軟磁性挙動を示し、外部磁石を用いた液体媒体からの迅速な分離を可能にした。
• 濡れ性と耐久性： コーティングされた布地は165°の水接触角（WCA）を達成し、超撥水性を示した。この特性は、5メートルのサンドペーパー摩耗（W解角157°）および各種有機溶媒や酸性環境への曝露後も維持された。しかし、強アルカリ条件（pH 12）ではシロキサンの加水分解によりWCAが129°まで低下し、安定性が減少した。
• 油水分離： 本布地は、n-ヘキサンおよびジクロロメタンの両方に対して99%以上の分離効率を達成した。フラックス値は、n-ヘキサンで7,462.5 L·m⁻²·h⁻¹、ジクロロメタンで8,928 L·m⁻²·h⁻¹に達した。システムは10回の連続サイクルにおいて高い効率（>98%）を維持した。磁気誘導により、浮遊油の遠隔回収が可能となった。
• 光触媒性能： 可視光下において、本布地はUVA下での77%と比較して、70分間でローダミンBを83%分解した。速度論的解析は擬一次反応モデルに従った。スカベンジャー実験により、ヒドロキシルラジカル（•OH）が主要な活性種であり、次いでスーパーオキシドラジカル（•O₂⁻）であることが特定され、Zスキームメカニズムが確認された。材料は5サイクル後も約94〜95%の光触媒活性を保持していた。

意義および主張
著者らは、本研究が現在の文献に見られる単一機能システムの限界に対処する、ユニークで環境に優しいソリューションを提示していると主張している。直接的なZスキーム光触媒を磁性・超撥水性テキスタイルと統合することにより、本プラットフォームは、産業廃水処理およびオイルスピル（油流出）回収のための多用途なアプローチを提供する。本システムは、化石燃料依存型のエネルギー源や毒性のあるフッ素系コーティングに頼ることなく、能動的かつ遠隔制御可能な油回収と、同時的な汚染物質分解を実行できる点が強調されている。著者らは、本システムは高い安定性を示すものの、今後の課題として、アルカリ環境に対する耐性の向上および実世界の産業廃水シナリオにおける性能検証に焦点を当てる必要があると述べている。