Il gruppo di Rice sviluppa un materiale attivato dalla luce per purificare l'acqua / Rice team develops light-activated material to clean water

Il gruppo di Rice sviluppa un materiale attivato dalla luce per purificare l'acqua / Rice team develops light-activated material to clean water

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I PFAS sono un gruppo di sostanze chimiche prodotte artigianalmente ed utilizzate nell'industria e nei prodotti di consumo fin dagli anni '40 per le loro proprietà utili  /  PFAS are a group of manufactured chemicals that have been used in industry and consumer products since the 1940s because of their useful properties 

Alcuni scienziati negli Stati Uniti hanno sviluppato un materiale che sfrutta la luce per scomporre gli inquinanti dell'acqua, tra cui i PFAS, le "sostanze chimiche eterne" persistenti note per la loro diffusa presenza.

Il processo, sviluppato da un gruppo della Rice University, in Texas, con il contributo dell'Università della Florida, prevede l'utilizzo di strutture organiche covalenti (COF), la cui struttura porosa e l'elevata area superficiale le rendono utili per le reazioni fotocatalitiche. Quando interagiscono con la luce, alcuni degli elettroni nelle molecole di COF vengono spostati, formando lacune, e questa biforcazione di cariche è ciò che rende i COF buoni fotocatalizzatori.

Secondo  uno studio  pubblicato su  Materials Today, il gruppo della Rice University ha coltivato un materiale COF direttamente su una pellicola bidimensionale di nitruro di boro esagonale (hBN), dando origine ad una superficie ibrida superdetergente che necessita solo della luce per penetrare gli inquinanti più ostinati, tra cui rifiuti farmaceutici, coloranti e PFAS.

"Combinando due materiali sicuri e leggeri in un modo nuovo, abbiamo creato una potente superficie anti-inquinamento che agisce rapidamente, agisce su molti inquinanti diversi e non fa affidamento su metalli che potrebbero danneggiare l'ambiente", ha affermato il primo autore Yifan Zhu, ricercatore post-dottorato presso  il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria della Rice . "Questo è importante perché offre un modo più pulito, economico e sostenibile per proteggere la nostra acqua".

Combinazione di materiali

Per creare la superficie, i ricercatori hanno sviluppato un metodo per unire due materiali solitamente difficili da unire. Lo hanno fatto ricorrendo all'ingegneria dei difetti, una tecnica che incorpora deliberatamente difetti od imperfezioni in un materiale al fine di generare nuove proprietà o comportamenti.

Per il loro lavoro, il gruppo ha inciso microscopici "graffi" sulla superficie dell'hBN. Le imperfezioni fungevano da siti reattivi, ancorando il COF al film di hBN e consentendogli di crescere direttamente sulla superficie. Questa interfaccia guida gli elettroni e le lacune eccitati dalla luce in direzioni separate, producendo l'effetto detergente.

"Coltivandoli direttamente insieme, anziché semplicemente mescolandoli, abbiamo creato una struttura connessa in cui le cariche potevano viaggiare facilmente senza rimanere intrappolate", ha affermato Zhu in una nota. "Questo approccio non era mai stato utilizzato prima con questa coppia di materiali, soprattutto perché l'hBN è solitamente molto difficile da modificare".

Per esaminare le prestazioni in condizioni pratiche, il gruppo ha testato il materiale in reattori ad acqua corrente verticali e orizzontali. Si afferma che il materiale abbia funzionato in modo costante durante ripetuti cicli di purificazione, mantenendo struttura e stabilità.

"Questi risultati dimostrano che un singolo materiale privo di metalli può contrastare molteplici inquinanti difficili da rimuovere", ha affermato l'autore corrispondente Jun Lou, Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria Karl F. Hasselmann alla Rice. "Questo ci avvicina a soluzioni pratiche ed economiche per un'acqua più pulita".

ENGLISH

Scientists in the US have developed a material that uses light to break down water pollutants, including PFAS, the persistent ‘forever chemicals’ known for their widespread presence.

The process, developed by a team at Rice University, Texas, with input from the University of Florida, involves the use of covalent organic frameworks (COFs), whose porous structure ⎯ and high surface area ⎯ make them useful photocatalytic, reactions. When they interact with light, some of the electrons in COF molecules get displaced, forming holes, and this bifurcation of charges is what makes COFs good photocatalysts.

According to a study published in Materials Today, the Rice team grew a COF material directly onto a two-dimensional film of hexagonal boron nitride (hBN), giving rise to a hybrid supercleansing surface only needs light to cut through tough pollutants, including pharmaceutical waste, dyes and PFAS.

“By combining two safe, lightweight materials in a new way, we built a powerful pollution-fighting surface that works quickly, works on many different pollutants and does not rely on metals that could harm the environment,” said first author Yifan Zhu, a postdoctoral researcher in Rice’s Department of Materials Science and Nanoengineering. “This matters because it offers a cleaner, cheaper and more sustainable way to protect our water.”

Material Combination

To create the surface, the researchers developed a method to bond the two materials that are typically difficult to join. They did so with defect engineering, a technique that deliberately embeds defects or imperfections into a material in order to engender new properties or behaviours.

For their work, the team etched microscopic ‘scratches’ into the hBN surface. The imperfections acted as reactive sites, anchoring the COF to the hBN film and allowing it to grow directly on the surface. This interface guides the light-excited electrons and holes in separate directions, producing the cleansing effect.

“By growing them directly together rather than simply mixing them, we created a connected structure where charges could travel easily without getting trapped,” Zhu said in a statement. “This approach had not been done before with this pair of materials, especially because hBN is usually very hard to modify.”

To examine performance under practical conditions, the team tested the material in vertical and horizontal flowing-water reactors. The material is said to have performed consistently over repeated cleansing cycles, maintaining structure and stability.

“These findings show that a single, metal-free material can tackle multiple hard-to-remove pollutants,” said corresponding author Jun Lou, Rice’s Karl F. Hasselmann Professor of Materials Science and Nanoengineering. “This moves us closer to practical, low-cost solutions for cleaner water.”

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/scientists-develop-light-activated-material-to-clean-water