Congo red photocatalytic degradation on the copper nanoparticles deposited on carriers

Waterverontreiniging door industriële kleurstoffen is een hardnekkig probleem. Textielfabrieken, papierfabrieken en producenten van kunststoffen lozen enorme hoeveelheden gekleurd afvalwater in rivieren en meren. Deze synthetische kleurstoffen zijn ontworpen om stabiel en duurzaam te zijn, wat hen resistent maakt tegen natuurlijke afbraak door bacteriën of zonlicht. Wanneer ze in het milieu achterblijven, blokkeren ze het zonlicht voor onderwaterplanten en kunnen ze giftig zijn voor vissen en ander aquatisch leven. Traditionele waterzuveringsmethoden, zoals filtratie of het toevoegen van chemicaliën om deeltjes samen te klonteren, falen vaak in het volledig verwijderen van deze complexe kleurmoleculen, vooral wanneer het water zwaar vervuild is. Wetenschappers hebben zich gericht op een meer geavanceerde aanpak genaamd fotokatalyse. Dit proces gebruikt licht om een speciaal materiaal te activeren dat werkt als een chemische versneller, waardoor schadelijke verontreinigingen worden afgebroken tot onschadelijke stoffen zoals water en koolstofdioxide. Hoewel titaniumdioxide het meest gebruikte materiaal is, zoeken onderzoekers constant naar goedkopere, meer toegankelijke alternatieven die net zo goed werken onder zichtbaar licht.

Een team van onderzoekers in Oekraïne begon de effectiviteit van een specifieke, betaalbare kandidaat te testen: kopernanodeeltjes. Koper is veel minder duur dan edelmetalen zoals platina of goud, maar heeft toch veelbelovend gebleken bij het helpen van andere materialen bij de afbraak van verontreinigingen. De uitdaging ligt in het effectief gebruiken van koper. Als de koperdeeltjes te veel samenklonteren, verliezen ze hun oppervlakte en worden ze minder actief. Om dit te voorkomen, hebben de wetenschappers de minuscule koperdeeltjes bevestigd aan twee verschillende vaste dragers, of sponsen, die het metaal op zijn plaats houden en verspreiden. Ze kozen twee zeer verschillende materialen voor deze taak: gamma-alumina, een synthetische keramiek met een netwerk van kleine tunnels, en natuurlijke zeoliet, een poreus mineraal dat in de aarde wordt gevonden. Het doel was om te zien welke drager het koper beter liet werken bij het vernietigen van een veelvoorkomende rode kleurstof genaamd Congo-rood.

De onderzoekers begonnen met het voorbereiden van de dragers. Ze namen natuurlijke zeolietsteen uit een specifieke afzetting in de Karpaten en behandelden deze met een chemische oplossing om onzuiverheden te verwijderen en de interne kanalen te verbreden. Ze gebruikten ook een standaard industriële vorm van gamma-alumina. Beide materialen werden vervolgens geweekt in een oplossing die kopernitraat bevatte. Om de koperionen in metaal te veranderen, voegden ze ascorbinezuur toe, een veelvoorkomend reducerend middel, en verhitten ze het mengsel. Dit proces creëerde piepkleine koperdeeltjes, ongeveer twee tot drie nanometer groot, die zo klein zijn dat er een miljoen van in de breedte van een menselijk haar zouden passen. Het team onderzocht deze nieuwe katalysatoren vervolgens met krachtige microscopen en röntgenmachines om precies te zien wat ze hadden gemaakt.

De afbeeldingen toonden duidelijke verschillen tussen de twee monsters. Op de gamma-alumina waren de koperdeeltjes gelijkmatig verdeeld en zaten ze in de vele kleine poriën van het materiaal. Het oppervlak van de alumina-katalysator was zeer poreus, wat een enorm oppervlak bood voor reacties om plaats te vinden. In contrast hiermee gedroeg het koper op de natuurlijke zeoliet zich anders. Omdat de interne kanalen van de zeoliet te nauw waren voor de koperprecursoren om er gemakkelijk in te gaan, vormde het metaal zich voornamelijk op het buitenste oppervlak. Dit leidde tot de vorming van grotere klonters, of agglomeraten, waarvan sommige wel dertig nanometer groot waren. De röntgenanalyse suggereerde dat de koperdeeltjes in beide monsters een specifieke structuur hadden: een kern van puur metallisch koper omgeven door een dunne schil van koperoxide. Deze kern-schil-structuur komt vaak voor wanneer koper wordt blootgesteld aan lucht, omdat het metaal gemakkelijk reageert met zuurstof om een beschermende laag te vormen.

Toen het team de katalysatoren testte door ultraviolet licht op oplossingen van Congo-rood te schijnen, waren de resultaten duidelijk. De katalysator gemaakt met gamma-alumina was zeer effectief en verwijderde bijna alle kleur uit de kleurstofoplossing in slechts enkele minuten, ongeacht hoe geconcentreerd de kleurstof was. De op zeoliet gebaseerde katalysator werkte ook, maar was minder efficiënt. Hij kon een verdunde oplossing van de kleurstof schoonmaken, maar naarmate de concentratie van de kleurstof toenam, nam de prestatie aanzienlijk af. De onderzoekers ontdekten dat om de zeolietkatalysator net zo goed te laten werken als de alumina-katalysator, ze veel grotere hoeveelheden van het materiaal moesten gebruiken.

Het verschil in prestaties kwam voort uit de fysieke structuur van de dragers. De gamma-alumina bood een veel groter oppervlak en een netwerk van poriën die de juiste grootte hadden om de kleurstofmoleculen de koperdeeltjes diep in het materiaal te laten bereiken. De zeoliet, zelfs na behandeling, worstelde ermee om de grote kleurstofmoleculen in de structuur door te laten, waardoor de reactie beperkt bleef tot het buitenste oppervlak. Bovendien waren de grotere klonters koper op de zeoliet minder actief dan de piepkleine, goed verspreide deeltjes op de alumina. De studie suggereert dat hoewel natuurlijke zeoliet gebruikt kan worden als ondersteuning voor koperfotokatalysatoren, de effectiviteit ervan beperkt wordt door de poriegrootte en de neiging van het metaal om grote clusters te vormen. De gamma-alumina drager, met zijn superieure porositeit en het vermogen om kleinere, actievere deeltjes vast te houden, bleek de meer effectieve keuze voor het afbreken van deze hardnekkige industriële kleurstoffen.