Cerdanyola del Vallès, 22 de febrer de 2019. La quantitat de contaminants a l'aigua i l'aire, així a la nostra llar i lloc de treball està augmentant com a conseqüència de l'elevada activitat humana. La contaminació per antibiòtics és, sens dubte, un dels majors desafiaments a dia d'avui, en un moment en què la resistència dels bacteris als antibiòtics s'ha identificat com la propera crisi pandèmica mundial.
Des de fa un temps, s'estudia l'ús de fotocatalitzadors semiconductors per a la remediació ambiental, ja que aquests poden degradar o mineralitzar una àmplia gamma de contaminants orgànics i patògens. La recerca actual se centra en abordar alguns dels inconvenients que impedeixen el seu ús a gran escala. Per una banda, molts fotocatalitzadors s'activen només amb la llum ultraviolada (UV), que representa tan sols una petita fracció de l'emissió solar total disponible. Per altra banda, la recombinació dels parells electró-forat fotogenerats que permeten la descomposició del contaminant és generalment més ràpida que les reaccions d'oxidació responsables de la degradació de les molècules orgàniques. Com a conseqüència, metalls nobles que poden acceptar electrons, com el platí o l'or, s'utilitzen com a co-catalitzadors, són necessaris en el procés.
La urea, una substància comuna a la indústria química, així com també en el metabolisme dels mamífers, ha estat identificada com un material útil per abordar aquests problemes. La urea és un precursor de nitrur de carboni grafític (g-C3N4), una família de compostos semiconductors amb una separació de les seves bandes d'energia més propera a la llum visible que en els semiconductors més habituals, tals com el TiO2, utilitzats en la fotodegradació de materials orgànics. Fins ara, les capes enriquides amb g-C3N4 es produïen amb una tècnica en dues etapes que consumeix força energia, ja que es necessiten altes temperatures de calcinació seguides d'un procés de deposició. A més, la urea contribueix a la separació dels portadors fotogenerats de càrrega, evitant així la recombinació electró-forat i, per tant, incrementant l'eficiència de la fotodescomoposició.
La nova tècnica basada en la utilització de làsers, desenvolupada per científics de l'ICMAB-CSIC, juntament amb científics del Sincrotró ALBA i dels instituts nacionals de làsers i de física de materials a Romania, suposa un nou mètode en una sola etapa per a la síntesi de g-C3N4 a partir d'urea, la formació de plaques de grafè i la deposició simultània de materials híbrids.
Els materials de partida van ser nanopartícules d'òxid de titani i plaques d'òxid de grafè (GO) i urea. Mitjançant la irradiació d'aquesta barreja amb làser UV, en una tècnica anomenada evaporació reactiva assistida per matriu mitjançant làser polsat (abreujada MAPLE en anglès), permet que tinguin lloc simultàniament la transformació química i la deposició en forma de pel·lícules fines succeeixen al mateix temps.
Les capes híbrides orgàniques-inorgàniques incorporen el gran poder d'oxidació del TiO2, la millora de la mobilitat dels electrons i permeten l'adsorció de contaminants de l'estructura porosa de grafè. A més, l'activitat fotocatalítica necessita menys energia gràcies al g-C3N4 i permet tenir una fase d'oxidació més llarga gràcies a la separació i transferència de portadors foto-induïts per càrrega de molècules d'urea. "S'han aconseguit eficiències de degradació molt elevades sense l'addició de co-catalitzadors de metalls nobles, obrint una nova via per a la síntesi induïda per llum de materials i nous compostos a partir de molècules orgàniques", explica Enikö György, investigadora de l'ICMAB-CSIC.
Tots aquests avantatges van resultar en una fotodegradació molt eficient tant de colorants orgànics com d'antibiòtics.
Per a la caracterització detallada de les propietats d'aquest compost semiconductor es va utilitzar la microespectroscòpia FTIR a la línia de llum d'infrarroig MIRAS del Sincrotró ALBA, a banda d'altres tècniques i instal·lacions. Degut a la baixa concentració d'alguns elements, la intensitat del feix de llum de sincrotró –fins a 1.000 vegades més potent que els usats a la microespectroscòpia FTIR convencional– va ser clau per estudiar la configuració dels enllaços químics presents als diferents constituents de les capes fines. Els resultats van mostrar que una part significativa de les molècules inicials d'urea van ser transferides a la superfície del substrat sense alteracions químiques, creant capes fines híbrids orgàniques-inorgàniques.
La tècnica desenvolupada en aquest estudi obre un camí més ràpid i eficient per a la síntesi de materials compostos per a la remediació ambiental. Aquesta producció en una sola etapa d'un material fotocatalític evita l'ús de productes químics addicionals, així com els processos a alta temperatura, ambdós aspectes importants en els processos de fabricació a gran escala a la indústria.
Figura: (I) Imatge de microscopia electrònica de transmissió d'alta resolució (HRTEM) d'una capa fina de TiO2-GO-urea; (II) (a) Eficiència d'autodegradació de molècules orgàniques (MO) sota la irradiació de llum UV i degradació fotocatalítica de MO en presència de capes de (b) TiO2-GO2 (c) TiO2-GO-urea; (III) (a) Fotòlisi de l'antibiòtic cloranfenicol sota irradiació de llum UV i (b) degradació fotocatalítica de cloranfenicol en presència de capes fines de TiO2-GO-urea; (IV) espectre visible - UV del cloranfenicol mesurat en intervals regulars sota irradiació de llum UV en presència de capa fina de TiO2-GO-urea.
A l'esquerra, els investigadors Ángel Pérez del Pino i Enikö György del ICMAB-CSIC junt amb Ibraheem Yousef, científic responsable de la línia de llum MIRAS de l'ALBA.
