Synthesis and characterization of titanium suboxides for water treatment

The contamination of water and soil by persistent organic compounds, such as PFAS, poses a significant environmental challenge, as they possess prolonged lifespans and represent a severe issue for human health. Addressing this issue requires effective water treatment methods, with photoelectrocatalysis emerging as a promising approach. This advanced oxidation process involves the in-situ generation of transient reactive species, such as H₂O₂, hydroxyl radicals (•OH), and superoxide radicals (O₂•⁻), for the non-specific degradation of pollutants, and complete mineralization of water. Titanium dioxide (TiO₂) is a widely studied photoactive material due to its high stability, low cost, and environmental friendliness. In this study, TiO₂ was produced through plasma electrolytic oxidation (PEO), a rapid oxidation technique that yields a porous, crystalline oxide with a large surface area and the potential for straightforward doping of the oxide layer. The optimization of TiO₂ was explored using aerated and de-aerated thermal treatments, as well as electrochemical reduction, to induce the formation of Magnèli phases. These phases, represented by the chemical formula TinO2n-1 with n ranging from 4 to 10, offer improved electrical conductivity and reduced energy gap compared to pure TiO₂. Characterization of these Magnèli phases was carried out through electrochemical and physical methods. Finally, the photoelectrocatalytic activity of the samples was assessed by studying the discoloration of a dye-containing solution, specifically Naphthol Blue Black. This research aims to establish a reproducible method for obtaining Magnèli phases in TiO₂, with potential applications in water treatment for the degradation of persistent organic pollutants. The main goal for the so-produced materials is to maximize the light absorption in the visible range (decreasing the band gap of the oxide) and to increase the conductivity as much as possible.

La contaminazione di acqua e suolo dovuta dalla presenza di composti organici, in particolare inquinanti longevi come i PFAS, rappresenta un problema rilevante per la nostra generazione, avendo un impatto rilevante sulla salute di uomini e animali che ne vengono in contatto. Per affrontare tale problematica è richiesta l'adozione di metodi efficaci di trattamento acque, la foto elettrocatalisi rappresenta uno degli approcci più promettenti. Questo processo di ossidazione comporta la generazione in loco di specie transitorie altamente reattive, quali H₂O₂, radicali idrossile (•OH) e radicali superossido (O₂•⁻), che consentono la degradazione non specifica degli inquinanti e la completa mineralizzazione dell'acqua. Tra i vari materiali che possono essere utilizzati, il biossido di titanio (TiO₂) si distingue, essendo un materiale foto-attivo ampiamente studiato per la sua stabilità chimica e termica, per il suo basso costo e limitato impatto ambientale. In questo studio, il TiO₂ è stato prodotto attraverso l'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO), una tecnica rapida che genera un ossido poroso e cristallino, con una vasta area superficiale e la possibilità di drogaggio diretto dell’ossido ottenuto. L'ottimizzazione del TiO₂ è stata esplorata mediante trattamenti termici con e senza ossigeno, e tramite la riduzione elettrochimica, per stimolare la formazione delle fasi di Magnèli. Queste fasi, rappresentate dalla formula chimica TinO2n-1, con n compreso tra 4 e 10, offrono una migliore conducibilità elettrica e un band gap ridotto rispetto al TiO₂. La caratterizzazione di queste fasi di Magnèli è stata condotta mediante approcci elettrochimici e fisici. Infine, l'attività foto-elettrocatalitica dei campioni è stata valutata studiando la decolorazione di una soluzione contenente Naphthol Blue Black. Questa ricerca mira a stabilire un metodo riproducibile per ottenere fasi di Magnèli dell’ossido di titanio, con potenziali applicazioni nel trattamento dell'acqua per la degradazione di inquinanti organici. L'obiettivo principale per i materiali prodotti è massimizzare l'assorbimento di luce nella gamma visibile (riducendo il band gap dell'ossido) e la sua conducibilità.