Optimization of reduced graphene oxide/titanium dioxide-coated polyurethane foams as photocatalysts for water treatment

The rapid contamination of global water resources necessitates the urgent need for effective wastewater treatment. Among the various techniques, photocatalysis with titanium dioxide (TiO2) is considered a promising and sustainable solution. However, limitations such as the large energy band gap of TiO2 and high raw material costs hinder its industrial application. This work aims to overcome these limitations by proposing a composite coating of nano-powder TiO2 and reduced graphene oxide (rGO). The composite was applied to porous polyurethane (PU) foams by a simple, low-energy dip coating process. The effective combination of rGO and TiO2 nanoparticles is expected to increase the adsorption of pollutants and to optimize the photocatalytic activity, as rGO should reduce the band gap of TiO2. The work focuses on improving the adhesion and photocatalytic activity of the rGO/TiO2 composite coating, exploring pre-treatments of the PU foams, the use of an ecological binder (carboxymethylcellulose), multilayer coatings and the variation of the rGO/TiO2 mass ratio (1:3, 1:4 and 1:5). The materials have been characterized by differential scanning calorimetry for thermal properties and scanning electron and optical microscopy for morphology. The stability of the coating was assessed by ultrasonic tests, while the effectiveness in removing pollutants was measured by UV-Vis photodegradation tests on rhodamine B (RhB) in a 3 mg L-1 aqueous solution. The kinetics of the process and the possible RhB release in water were also investigated. The results highlight the potential of PU foams coated with rGO/TiO2 nanocomposites as an innovative solution for water purification, particularly for the 1:3 ratio, which has demonstrated a complete degradation in 90 min and an improvement of its adhesion to PU after a pre-treatment of the foam with a NaOH 3 M solution.

La rapida contaminazione delle risorse idriche globali rende urgente l'esigenza di un efficace trattamento delle acque reflue. Tra le varie tecniche, la fotocatalisi con biossido di titanio (TiO2) è considerata una soluzione promettente e sostenibile. Tuttavia, limitazioni quali l'ampio gap energetico del TiO2 e gli elevati costi delle materie prime ne ostacolano l'applicazione industriale. Questo lavoro ha lo scopo di superare queste limitazioni proponendo un rivestimento composito di nano-polvere TiO2 e riducono l'ossido di grafene (rGO). Il composito è stato applicato a schiume porose di poliuretano (PU) mediante un semplice processo di rivestimento per immersione a basso consumo energetico. La combinazione efficace delle nanoparticelle di rGO e TiO2 dovrebbe aumentare l'adsorbimento degli inquinanti e ottimizzare l'attività fotocatalitica, poiché rGO dovrebbe ridurre il gap di banda del TiO2. Il lavoro si concentra sul miglioramento del l'aderenza e del l'attività fotocatalitica del rivestimento composito rGO/TiO2, esplorando i pretrattamenti delle schiume di poliuretano, l'uso di un legante ecologico (carbossimetilcellulosa), i rivestimenti multistrato e la variazione del rapporto di massa rGO/TiO2 (1:3, 1:4 e 1:5). I materiali sono stati caratterizzati da calorimetria a scansione differenziale per le proprietà termiche e microscopia elettronica e ottica a scansione per la morfologia. La stabilità del rivestimento è stata valutata mediante prove ad ultrasuoni, mentre l'efficacia nel rimuovere gli inquinanti è stata misurata mediante prove di fotodegradazione UV-Vis su rodamina B (RhB) in una soluzione acquosa da 3 mg L-1. Sono state studiate anche la cinetica del processo e il possibile rilascio di RhB nel l'acqua. I risultati evidenziano il potenziale delle schiume di PU rivestite con nanocompositi rGO/TiO2 come soluzione innovativa per la purificazione dell'acqua, in particolare per il rapporto 1:3, che ha dimostrato una completa degradazione in 90 min e un miglioramento della sua adesione al PU dopo un pretrattamento della schiuma con una soluzione di NaOH 3 M.