Propriétés photocatalytiques des poudres BiFeO3 synthétisées par le mélange de CTAB et Glycine

Jul 15, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12338 (2023) Citer cet article

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Des poudres de BiFeO3 (BFO) très pures ont été préparées par la méthode de synthèse par combustion en solution en utilisant du bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) et de la glycine comme carburants à différents rapports carburant/oxydant (φ). Les caractéristiques microstructurales, la morphologie, les propriétés optiques et l'analyse thermique ont été étudiées respectivement par diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB), spectroscopie de réflectance diffuse (DRS) et thermique/thermogravimétrie différentielle (DTA/TGA). Les poudres brûlées préparées à différentes teneurs en carburant contenaient une petite quantité de phases d'impuretés telles que Bi24Fe2O39 et Bi2Fe4O9. Lors de la calcination des poudres de BFO à 600 °C pendant 1 h, une phase de BFO presque pure a été produite. Les poudres brûlées ont photodégradé environ 80 % du colorant bleu de méthylène à φ = 2 jusqu'à 90 min d'irradiation par la lumière visible.

Le BiFeO3 monophasé (BFO) est un matériau multiferroïque avec des structures rhomboédriques et pérovskites déformées présentant le groupe spatial R3c. En raison de ses performances ferroélectriques à des températures de Curie élevées jusqu'à 830 °C et de son comportement antiferromagnétique à sa température de Neel de 370 °C, ce matériau est envisagé pour les dispositifs à mémoire non volatile, le photovoltaïque, les capteurs et la spintronique1,2,3,4. Il est également connu que ces composés abondants et intéressants à structure pérovskite présentent une aptitude améliorée à la composition et à la structure5,6. En raison de sa bande interdite étroite comprise entre 2,2 et 2,8 eV et de sa grande stabilité chimique, le BFO a été considéré comme un photocatalyseur de lumière visible pour dégrader les polluants organiques7. De nombreux photocatalyseurs, tels que TiO2, ZnO, CdS, ZnS, etc., ont été utilisés pour photodégrader les colorants sous irradiation par une lumière ultraviolette (UV)8,9,10,11,12,13. Cependant, les UV ne couvrent qu’une petite partie (~ 4 %) du spectre solaire ; ainsi, de nombreux efforts ont été déployés pour développer des catalyseurs de lumière visible couvrant une gamme plus large14,15,16,17,18,19.

Des phases d'impuretés telles que Bi2O3, Bi2Fe4O9 et Bi24Fe2O39 apparaissent lors de la synthèse du BFO en raison de leur cinétique de formation de phases. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont développé diverses voies de synthèse pour éliminer ces phases secondaires. Des méthodes hydrothermales20,21, hydrothermale assistée par polymère22, sol-gel23, co-précipitation24,25,26, pulvérisation d'aérosols, électrofilage27, voie solvothermique28 et combustion de solution29 ont été utilisées pour synthétiser du BFO pur.

Développer des méthodes simples, sûres pour l’environnement et économes en énergie pour synthétiser une poudre pure de BFO présente un grand intérêt. La synthèse par combustion en solution (SCS) est un processus chimique simple, relativement peu coûteux et rapide permettant de produire divers nanomatériaux30. Une réaction exothermique auto-propagée se produit entre le mélange de nitrates métalliques et différents combustibles organiques (par exemple la glycine, l'acide citrique, l'urée, etc.), libérant une énorme quantité de produits gazeux29.

Parmi les différents carburants organiques, la glycine est un acide aminé qui facilite la formation d’un complexe d’ions métalliques dans la solution en raison de son acide carboxylique et de ses groupes aminés aux extrémités opposées de la molécule31. De même, le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) est un tensioactif cationique avec une température de décomposition élevée qui est largement utilisé pour contrôler la forme, la taille et la microstructure des particules en minimisant la tension superficielle du précurseur32. Le BFO a été synthétisé par le carburant glycine par combustion de solution assistée par micro-ondes avec certaines phases d'impuretés telles que Bi2Fe4O9 et Bi24Fe2O3933. Dans nos travaux précédents, le BFO a été synthétisé en utilisant divers carburants simples et mixtes à un rapport carburant/oxydant constant de 1, mais dans ce travail, différents rapports carburant/oxydant (φ) ont varié de 0,5 à 232,33,34.

Néanmoins, la combinaison de différents carburants pourrait être plus efficace que des carburants individuels grâce à un meilleur contrôle de la température de réaction, du type et de la quantité de produits gazeux libérés. Par conséquent, dans ce travail, la glycine et le CTAB ont été mélangés à différentes quantités de carburant/oxydant dans un rapport unimolaire pour synthétiser du BFO presque pur et monophasé.