Development of hybrid materials from TiO2 and biomass photocatalysts for water purification

Water pollution caused by organic contaminants is a growing environmental challenge, increasing the need for sustainable wastewater treatment technologies. Among these pollutants, phenolic compounds are of special concern because of their toxicity, environmental persistence, and resistance to conventional biological treatments. Heterogeneous photocatalysis based on titanium dioxide (TiO2) has emerged as a promising solution for the mineralization of these contaminants. TiO2 is tipically used in nanoparticle form, however, its application is often limited by the recombination of charge carriers and the impossibility of recovery and reuse of nanoparticle suspensions. This work investigates the development and optimization of two different advanced TiO2-based photocatalysts for water purification: immonilized TI/TiO2 nanotube arrays produced by electrochemical anodization and carbon/TiO2 composite foams synthesized by a one step thermal synthesis process. Preliminary experiments using commercial TiO2 photocatalysts were conducted to establish the operating conditions for the photocatalytic tests and select phenol as the target pollutant. The materials were characterized using structural, morphological, and surface analyses. The photocatalytic activity of the materials was evaluated under UV and near UV/Vis irradiation: both materials showed effective phenol degradation, demonstrating the potential of both approaches for photocatalytic water treatment. The photocatalytic results of the nanotube arrays showed that both the geometry and the anodization process of the sample influence the photocatalytic activity. Carbon/TiO2 composite foams were prepared using either commercial P25 nanoparticles or Ti isopropoxide as TiO2 precursors. Although foams synthesized using P25 retained higher crystallinity, composites prepared through in situ TiO2 formation displayed comparable normalized photocatalytic activity, demonstrating the effectiveness of the one-step synthesis route.

L'inquinamento delle acque causato da contaminanti organici rappresenta una sfida ambientale crescente, che accresce la necessità di tecnologie sostenibili per il trattamento delle acque reflue. Tra questi inquinanti, i composti fenolici destano particolare preoccupazione a causa della loro tossicità, persistenza ambientale e resistenza ai trattamenti biologici convenzionali. La fotocatalisi eterogenea a base di biossido di titanio (TiO2) si è rivelata una soluzione promettente per la mineralizzazione di questi contaminanti. Il TiO2 è tipicamente utilizzato sotto forma di nanoparticelle; tuttavia, la sua applicazione è spesso limitata dalla ricombinazione dei portatori di carica e dall'impossibilità di recupero e riutilizzo delle sospensioni di nanoparticelle. Questo lavoro indaga lo sviluppo e l'ottimizzazione di due diversi fotocatalizzatori avanzati basati su TiO2 per la purificazione dell'acqua: array di nanotubi (Ti/TiO2) immonilizzati prodotti mediante anodizzazione elettrochimica e spume composite carbonio/TiO2 sintetizzate mediante un processo di sintesi termica in una sola fase. Sono stati condotti esperimenti preliminari utilizzando fotocatalizzatori commerciali di TiO2 per stabilire le condizioni operative per i test fotocatalitici e selezionare il fenolo come inquinante bersaglio. I materiali sono stati caratterizzati mediante analisi strutturali, morfologiche e superficiali. L'attività fotocatalitica dei materiali è stata valutata sotto irradiazione UV e UV/Vis: entrambi i materiali hanno mostrato un'efficace degradazione del fenolo, dimostrando il potenziale di entrambi gli approcci per il trattamento fotocatalitico dell'acqua. I risultati fotocatalitici degli arrays di nanotubi hanno mostrato che sia la geometria che il processo di anodizzazione del campione influenzano l'attività fotocatalitica. Le spume composite carbonio/TiO2 sono state preparate utilizzando nanoparticelle commerciali di P25 o isopropossido di Ti come precursori di TiO2. Sebbene le schiume sintetizzate utilizzando P25 abbiano mantenuto una cristallinità più elevata, i compositi preparati mediante formazione in situ di TiO2 hanno mostrato un'attività fotocatalitica normalizzata comparabile, dimostrando l'efficacia del percorso di sintesi in un unico passaggio.