Syntetyczne analogi roztworów stałych minerałów Cu jako zaawansowane fotokatalizatory

Abstract

Barwne ścieki przemysłowe są jednym z zagrożeń dla środowiska wodnego szczególnie w przemyśle tekstylnym, gdzie barwienie generuje zanieczyszczenia o wysokiej trwałości i toksyczności. Substancje te w rzekach i jeziorach zaburzają równowagę biologiczną i zagrażają organizmom wodnym i ludziom. Wobec niewystarczających tradycyjnych metod oczyszczania, konieczne jest szukanie nowych rozwiązań. Badania skupiły się na opracowaniu dwóch typów syntetycznych analogów minerałów miedzi jako fotokatalizatorów: siarkosoli żelazowo-manganowych Cu2(Fei-xMnx)SnS4 oraz roztworów stałych libetenitu Cu2(PO4)OH i oliwenitu Cu2(AsO4)OH. Założono, że materiały o składach pośrednich mogą mieć lepsze właściwości fotokatalityczne dzięki synergii efektów powierzchniowych i strukturalnych. Po syntezie hydrotermalnej sprawdzono aktywność fotokatalityczną materiałów w porównaniu z TiO2 w degradacji błękitu metylenowego. W Cu2(Fei-xMnx)SnS4 najwyższą aktywność wykazały człony końcowe, co wiązano z większą powierzchnią właściwą. W serii Cu2(PO4)OH - CU2(ASO4)OH najefektywniejsze były próbki bogate w fosforany, przewyższające TiO2 w świetle widzialnym. O skuteczności fotokatalitycznej decyduje skład chemiczny, morfologia i właściwości powierzchniowe. Syntetyczne analogi minerałów miedzi stanowią obiecującą klasę fotokatalizatorów, z potencjałem zastosowania w oczyszczaniu ścieków i technologiach słonecznych.

Industrial dye effluents threaten aquatic environments, especially those from textile processes that release persistent pollutants. These disrupt the ecological balance by limiting light penetration, thereby threatening aquatic organisms and human health. This dissertation examines two synthetic copper mineral analogues as advanced photocatalysts for visible light: Cu2(Fei-xMnx)SnS4 sulfides with a stannite structure and solid solutions between libethenite Cu2(PO4)OH and olivenite CU2(ASO4)OH, forming CU2(PXASF,I-XO4)OH. The materials were synthesised hydrothermally, characterised using various techniques (XRD, FTIR, Raman spectroscopy, SEM-EDS, TEM, BET and zeta potential) and evaluated against TiO2 for methylene blue degradation. For Cu2(Fei-xMnx)SnS4 the end-member compositions exhibited the highest photocatalytic activity owing to their surface area, crystallinity, and surface properties. In the Cu2(PO4)OH-Cu2(AsO4)OH series, phosphate-rich compositions performed the best, surpassing commercial TiO2 under visible light. The research showed that photocatalytic efficiency depends on the chemical composition, particle morphology, and surface characteristics affecting dye adsorption and charge processes. These copper mineral analogues are promising environmental photocatalysts with properties that can be tailored for wastewater treatment and sustainable solar energy technologies.