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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8188 (2023) Citer cet article

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Le broyage mécanochimique à boulets suivi d'un chauffage à 650 ° C pendant 5 h a produit avec succès la poudre Bi2VO5.5 monophasée. L'activité catalytique pour la dégradation du colorant bleu de méthylène a été étudiée. La spectroscopie Raman et la diffraction des rayons X ont été utilisées pour confirmer la formation de phase. Le comportement de transport des porteurs de charge de l'échantillon a été vérifié à l'aide d'une analyse de photocourant en fonction du temps. L'expérience de piézo-photocatalyse a donné une efficacité de dégradation de 63 % pour l'échantillon Bi2VO5.5 broyé à boulets. La cinétique de pseudo-premier ordre de la dégradation du colorant piézo-photocatalytique est discernée et la valeur k significative de 0,00529 min−1 est obtenue. Le test scavenger déclare que le radical h+ est l’espèce active prédominante lors de l’expérience de piézo-photocatalyse. Les graines de Vigna radiata ont été utilisées dans un test de phytotoxicité pour évaluer l'indice de germination. La méthode d'activation mécanochimique facilite les réactions en abaissant la température et la durée de la réaction. L’effet d’une efficacité piézo-photocatalytique améliorée sur la poudre Bi2VO5.5 broyée à boulets est un domaine inexploré et nous avons tenté de l’étudier. Ici, la poudre Bi2VO5.5 broyée à boulets a permis d’améliorer les performances de dégradation des colorants.

Actuellement, le rythme rapide de l’industrialisation a poussé la société humaine dans une nouvelle ère où la conservation de l’environnement est une préoccupation majeure. Les gens ont commencé à prendre conscience de la nécessité de préserver l’environnement en trouvant de meilleurs moyens de remédier aux dommages environnementaux1. Les polluants organiques très fréquemment utilisés dans les industries alimentaires, pharmaceutiques, de l’imprimerie, de la teinture et autres comprennent les colorants et les antibiotiques2. Les colorants organiques constituent une composante importante des eaux usées industrielles, car les industries textiles les rejettent en grande quantité directement dans les sources aquatiques, ce qui entraîne de graves risques pour l'environnement et est également nocif pour la santé humaine3. Les polluants organiques étant cancérigènes et toxiques, ils détériorent la santé aquatique, animale et humaine4. De nombreuses études ont été menées et publiées dans la littérature pour créer des méthodes standard d'élimination des polluants des eaux usées industrielles5,6. Les méthodes conventionnelles de purification de l’eau, telles que la coagulation, l’adsorption, l’ultrafiltration et la dégradation microbienne, constituaient jusqu’à récemment la norme pour le traitement des eaux usées7. Cependant, ces techniques présentent le défaut d'avoir une faible efficacité d'élimination, le polluant secondaire qui nécessite un traitement supplémentaire et la difficulté d'éliminer les contaminants à faibles concentrations7,8. Il est donc devenu essentiel de créer des processus efficaces et écologiquement acceptables pour décomposer ces contaminants organiques.

De multiples procédés physiques, chimiques et biologiques sont désormais utilisés pour le traitement des eaux usées textiles9. Les technologies testées et abordables sont la photocatalyse et la piézocatalyse10,11. Ils sont considérés comme des alternatives vertes en raison de leur potentiel à être respectueux de l’environnement et à éliminer les contaminants organiques des solutions aqueuses avec une grande efficacité4,12. Dans la photocatalyse des semi-conducteurs, l'amélioration du photocatalyseur est nécessaire pour accroître sa capacité à absorber la lumière tout en facilitant la séparation des différents porteurs de charge13,14. Les photocatalyseurs à semi-conducteurs ont montré un potentiel remarquable en photocatalyse en raison de leurs structures de bande uniques, de leur mobilité et de leur excellente séparation des porteurs de charge photogénérés15. Les avantages de la photocatalyse comprennent la capacité d'oxyder les toxines à température ambiante à de faibles concentrations, la réduction des polluants secondaires, le faible coût et la non-toxicité, ce qui la rend appropriée pour la dégradation des contaminants16,17. L'Anatase TiO2 est actuellement le photocatalyseur le plus préféré en raison de son pouvoir oxydant plus élevé, de son prix inférieur et de son excellente stabilité chimique18,19. En raison de sa large bande interdite (3,20 eV) et de la durée de vie relativement courte des porteurs photo-induits, le TiO2 a un faible rendement quantique puisqu'il ne peut absorber que la partie UV des rayons solaires1,18. Il est donc essentiel de créer un photocatalyseur efficace actif dans la lumière visible. En plus de la photocatalyse, la piézocatalyse induite par vibrations ultrasoniques peut également être utilisée seule ou en combinaison pour le traitement des eaux usées20,21. Il y a eu d'immenses recherches pour créer de nouveaux photocatalyseurs qui répondent plus efficacement à la lumière visible. Les semi-conducteurs bi-basés ont suscité une attention considérable en raison de leurs caractéristiques nouvelles et de la facilité de disponibilité des matières premières7,22. En présence des bandes de valence hybrides Bi (6s) et O (2p), de nombreux oxydes contenant Bi3+ ont des caractéristiques photocatalytiques23. En tant que nouveaux matériaux photocatalytiques, des substances à base de bismuth telles que BiVO4, Bi2WO6, Bi2MoO6, CaBi2O4, BiNbO4 et Bi2VO5.5 ont été signalées1,24,25,26,27. Les oxydes à base de bismuth, comme le vanadate de bismuth, possèdent des caractéristiques spectaculaires telles que la résistance à la corrosion, la non-toxicité, la ferroélasticité et la conductivité ionique28,29. Contrairement à la majorité des matériaux ferroélectriques, le vanadate de bismuth (Bi2VO5.5, (BV)) présente simultanément une mobilité ionique et des réponses polaires élevées, deux propriétés généralement incompatibles. Il existe de nombreuses applications, notamment les catalyseurs, les électrolytes solides, les capteurs de gaz et les matériaux d'électrode positive pour les batteries rechargeables au lithium32,33,34. Bi2VO5.5 peut être produit à l’aide de plusieurs techniques, notamment sol-gel, co-précipitation, réaction à l’état solide et micro-ondes33,35,36. Le comportement piézosensible est le résultat de la structure orthorhombique non centrosymétrique du BV37,38. Le matériau a subi une polarisation spontanée en raison d’une polarisation stable discrète induite par la cellule unitaire non centrosymétrique . La polarisation de surface qui en résulte conduit à des régions de courbure de bande et de charge d'espace . La formule standard pour Bi2VO5.5 est (Bi2O2)2+ (An−1BnO3n+1)2−, où B représente les ions hexa-, tétra- et pentavalents, n pour le nombre de blocs de pérovskite pressés entre les couches de Bi2O2, et A pour les ions di-, tri- et monovalents40,41. BV a une structure en couches comme BiVO442. En raison de sa faible bande interdite, la BV est utilisée sur une large plage d’absorption de la lumière visible42. La méthode traditionnelle de synthèse des céramiques nécessite une température élevée et un temps de réaction plus long43. La méthode d'activation mécanochimique facilite les réactions en abaissant la température et la durée de la réaction sans modifier la stœchiométrie43. Il a été utilisé efficacement pour accélérer la formation de composés et les transitions de phase, ainsi que pour améliorer les propriétés physicochimiques de nouveaux matériaux43,44. De plus, la surface du catalyseur est un élément crucial. La large surface des nanoparticules de catalyseur permet l'adsorption de molécules de colorant suffisantes pour la capture de photons et la production de paires électron-trou, ce qui peut améliorer l'activité photocatalytique45,46. Il a été rapporté que des matériaux de petite taille de particules étaient produits via des processus activés sol-gel, co-précipitation, micro-ondes et broyage mécanochimique à boulets (MBM)33,47. En raison de leur vaste surface, la petite taille des particules est avantageuse pour améliorer l’efficacité catalytique45. Xie et al.48 ont réussi à dégrader le bleu de méthylène (MB) en utilisant des nanoparticules d'Au déposées sur Bi2VO5.5 avec une efficacité de 85,2 %. Jianmin Wang et coll. utilisé une nanostructure BiVO4/Bi2VO5.5 pour dégrader l'orange de méthylène (MO) de 95 % en présence de lumière visible42. Des films composites Bi2VO5.5/Bi2O3 ont été utilisés par Xie et al. pour atteindre une efficacité de dégradation du colorant MB de 89,97 % sous un ensoleillement simulé 1.