Hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄ bifonctionnelles : un capteur SERS haute performance et un système photocatalytique d’auto-nettoyage pour la détection et la réparation de la pollution de l’eau

Contexte académique

Avec le développement rapide de l’industrialisation et des activités agricoles, la pollution de l’eau est devenue un problème environnemental mondial majeur. De grandes quantités de substances nocives, telles que les colorants, les antibiotiques et les pesticides, sont continuellement rejetées dans les écosystèmes aquatiques, perturbant directement ou indirectement ces écosystèmes et constituant une menace sérieuse pour la santé humaine. Les technologies traditionnelles de traitement des eaux usées ont du mal à éliminer ou à dégrader complètement ces polluants persistants, cachés et complexes. Par conséquent, le développement d’appareils multifonctionnels capables de détecter et de réparer efficacement la pollution de l’eau est devenu particulièrement important.

La diffusion Raman exaltée en surface (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) est une méthode efficace pour la détection de polluants traces en raison de sa haute sensibilité et de sa capacité de détection à large spectre. Cependant, les substrats SERS traditionnels reposent sur des métaux précieux (comme l’or ou l’argent), qui sont coûteux et sujets à la corrosion, limitant ainsi leur application à grande échelle. En revanche, les substrats SERS basés sur des composites semi-conducteurs présentent une excellente stabilité chimique et une biocompatibilité, tout en étant peu coûteux, ce qui réduit considérablement les coûts de détection. De plus, certains substrats SERS semi-conducteurs, lorsqu’ils sont combinés avec la technologie photocatalytique, peuvent démontrer un potentiel significatif de dégradation photocatalytique.

L’oxyde de cuivre(I) (Cu₂O) est un semi-conducteur de type p à bande interdite étroite, avec un large spectre de réponse à la lumière visible et une utilisation élevée de l’énergie solaire, ce qui en fait un matériau photocatalytique couramment utilisé. Cependant, Cu₂O est confronté à des problèmes pratiques tels qu’un taux de recombinaison élevé des paires électron-trou et une photodégradation sous exposition lumineuse. Le nitrure de carbone graphitique (g-C₃N₄), un semi-conducteur bidimensionnel de type n émergent, est considéré comme un matériau idéal pour modifier Cu₂O en raison de sa grande surface, de sa stabilité chimique, de son faible coût et de sa structure de bande interdite appropriée. L’alignement des bandes entre Cu₂O et g-C₃N₄ favorise un transfert d’électrons efficace, réduisant la recombinaison des paires électron-trou et améliorant ainsi la sensibilité SERS et l’efficacité photocatalytique.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Shuo Yang, Kaiyue Li, Ping Huang, Keyan Liu, Wenhui Li, Yuquan Zhuo, Ziwen Yang et Donglai Han, respectivement de l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de Changchun, du Laboratoire de conception des matériaux et de simulation quantique de l’Université de Changchun et de l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Changchun. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering.

Processus et résultats de la recherche

1. Préparation et caractérisation des matériaux

L’étude a d’abord synthétisé des microcubes de Cu₂O (Cu₂O MCs), des microcubes à bords arrondis (Cu₂O RMCs) et des microcubes tronqués (Cu₂O TMCs) par une méthode de bain-marie, et a préparé des nanofeuilles de g-C₃N₄ (g-C₃N₄ NSs) par calcination à haute température. Ensuite, les Cu₂O MCs et les g-C₃N₄ NSs ont été broyés physiquement dans des rapports massiques différents (10% à 50%) pour préparer des hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄ (MPHs).

La structure, la composition chimique, les propriétés de surface et les états chimiques des matériaux synthétisés ont été analysés par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR), isothermes d’adsorption-désorption d’azote (BET) et spectroscopie photoélectronique X (XPS). Les résultats ont montré que les hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄ se sont formées avec succès, et que l’introduction de g-C₃N₄ a considérablement augmenté la surface de Cu₂O, fournissant davantage de sites actifs pour les réactions photocatalytiques.

2. Tests de performance photoélectrique

Les spectres de réflectance diffuse UV-Vis (UV-Vis DRS), les tests d’intensité de courant photoélectrique (I-t), les spectres de photoluminescence (PL) et les spectres d’impédance électrochimique (EIS) ont été utilisés pour étudier l’efficacité de séparation, de recombinaison et de transport des porteurs de charge photo-générés dans les hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄. Les résultats ont montré que l’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄-0.2 présente une excellente efficacité de séparation des porteurs de charge photo-générés et une faible résistance au transfert de charge, améliorant ainsi significativement les performances photocatalytiques.

3. Performance de détection SERS

L’étude a utilisé le 4-aminothiophénol (4-ATP) comme molécule sonde pour évaluer les performances SERS des hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄. Les résultats ont montré que l’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄-0.2 présente l’intensité de signal SERS la plus élevée à 1438 cm⁻¹, avec un facteur d’amplification (EF) atteignant 2,43 × 10⁶, démontrant une haute sensibilité et une bonne reproductibilité. De plus, le capteur a montré une limite de détection pour le méthyl orange (MO) aussi basse que 10⁻⁶ M, et l’écart-type relatif (RSD) des signaux SERS sur 25 points aléatoires était inférieur à 15%, indiquant une excellente uniformité.

4. Performance de dégradation photocatalytique

L’étude a évalué la performance de dégradation photocatalytique des hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄ sur le MO. Les résultats ont montré que l’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄-0.2 atteint une efficacité de dégradation de 98,3% pour le MO en 90 minutes sous lumière visible, et maintient une efficacité de 93,7% après 216 jours, démontrant une excellente stabilité à long terme. De plus, après quatre cycles, l’efficacité de dégradation reste à 84,0%, indiquant une bonne stabilité cyclique.

5. Mécanisme photocatalytique

Les courbes Mott-Schottky (M-S) et les spectres de bande de valence (VB) XPS ont été utilisés pour analyser la structure de bande des hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄. Les résultats ont montré que l’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄ suit un mécanisme de transfert de charge de type Z, favorisant efficacement la séparation des paires électron-trou photo-générées et générant des espèces actives telles que h⁺, ·OH et ·O₂⁻, qui entraînent le processus d’auto-nettoyage et de dégradation photocatalytique.

6. Performance d’auto-nettoyage SERS

L’étude a évalué la performance d’auto-nettoyage du capteur SERS Cu₂O/g-C₃N₄-0.2. Les résultats ont montré que le capteur peut dégrader efficacement les polluants organiques adsorbés sur sa surface (comme le MO, le 2,4-D, le TC et le MB), et se régénérer avec succès après 180 secondes d’irradiation, démontrant une excellente fonction d’auto-nettoyage et une réutilisabilité.

Conclusion

Cette étude a développé avec succès un système d’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄-0.2 intégrant à la fois la détection SERS et la dégradation photocatalytique, démontrant son potentiel en tant que dispositif efficace pour la surveillance et la réparation de la pollution de l’eau. Le capteur présente une haute sensibilité, une excellente uniformité et reproductibilité, capable de détecter divers polluants et de montrer des performances de dégradation photocatalytique exceptionnelles et une stabilité à long terme. La structure d’hétérojonction de type Z joue un rôle clé dans la promotion de la séparation efficace des charges et la prévention de la recombinaison, offrant de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs multifonctionnels, durables et efficaces pour la surveillance de la qualité de l’eau.

Points forts de la recherche

1. Intégration multifonctionnelle : Les hétérojonctions Cu₂O/g-C₃N₄ intègrent la détection SERS et la dégradation photocatalytique, permettant une détection et une dégradation efficaces des polluants.
2. Haute sensibilité et reproductibilité : Le capteur SERS Cu₂O/g-C₃N₄-0.2 atteint un facteur d’amplification de 2,43 × 10⁶, avec un écart-type relatif inférieur à 15%, démontrant une haute sensibilité et une bonne reproductibilité.
3. Performances photocatalytiques exceptionnelles : L’hétérojonction atteint une efficacité de dégradation de 98,3% pour le MO sous lumière visible, et maintient une efficacité de 93,7% après 216 jours, montrant une excellente stabilité à long terme.
4. Fonction d’auto-nettoyage : Le capteur peut dégrader efficacement les polluants organiques adsorbés sur sa surface et se régénérer en peu de temps, démontrant une excellente fonction d’auto-nettoyage et une réutilisabilité.

Signification de la recherche

Cette étude offre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs multifonctionnels, durables et efficaces pour la surveillance de la qualité de l’eau, avec une valeur scientifique et des perspectives d’application importantes. Le système d’hétérojonction Cu₂O/g-C₃N₄ permet non seulement de détecter et de dégrader efficacement les polluants dans l’eau, mais montre également une excellente stabilité à long terme et une fonction d’auto-nettoyage, jetant les bases pour le développement futur des technologies de surveillance et de réparation environnementales.