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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12171 (2022) Citare questo articolo

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Lo smaltimento dei rifiuti elettronici (e-waste) presenta una serie di problemi ambientali. Tuttavia, ci sono grandi opportunità per utilizzare questi rifiuti problematici come fonte di metalli a valore aggiunto. Questi metalli potrebbero essere recuperati e trasformati per essere utilizzati in applicazioni vantaggiose, come la produzione di nanomateriali per la generazione di idrogeno attraverso la scissione termodinamica dell’acqua. Questo studio ha utilizzato tecniche di microriciclaggio per sintetizzare nanofiocchi di ossido di rame (CuO) drogato con ossido di azoto (NiO) da circuiti stampati flessibili (FPCB) di scarto utilizzando tecniche di microriciclaggio. Sono state utilizzate diverse caratterizzazioni precise e analisi sperimentali per convalidare la purezza di fase, la chimica superficiale, la morfologia e le proprietà ottiche dei nanofiocchi sintetizzati. L'analisi XRD ha confermato che i nanofiocchi prodotti nel sistema erano prevalentemente tenorite, CuO (98,5% ± 4,5) con un drogante di NiO (1,5% ± 0,1). I nanofiocchi avevano un'area superficiale specifica di 115.703 m2/g e una struttura mesoporosa con un diametro medio dei pori di 11 nm. L'analisi HRTEM ha confermato che i nanofiocchi non erano una singola struttura ma assemblati da nanobarre 2D. La larghezza dei nanotubi variava da circa 10 a 50 nm e la lunghezza da circa 30 a 80 nm. Dopo un rapido trattamento termico, è stata valutata la risposta alla fotocorrente del materiale sintetizzato, rivelando una densità di fotocorrente più elevata (-1,9 mA/cm2 a 0,6 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (RHE) sotto 1,5 G AM). L'analisi di Mott Schottky e la spettroscopia di impedenza elettrochimica hanno mostrato che il nanomateriale sintetizzato aveva la potenziale capacità termodinamica di scissione dell'acqua. Questi risultati sono stati un’indicazione incoraggiante della promessa di tecniche che utilizzano i rifiuti elettronici per produrre nanomateriali con proprietà preziose. Ciò ha il potenziale sia di ridurre i rifiuti problematici sia di preservare le risorse naturali in diminuzione.

Con il declino delle risorse naturali, l’industria e la produzione globale devono adottare nuove strategie che sostituiscano le risorse convenzionali con materiali trasformati dai rifiuti. Uno dei flussi di rifiuti più problematici è quello dei rifiuti elettronici (e-waste). Questo comprende molti metalli e non metalli preziosi. Ad esempio, i circuiti stampati flessibili (FPCB) contengono più del 99% di rame puro incorporato in non metalli come poliimmide/poliammide e resina1, in cui un'emulsione a base di Ni è ampiamente utilizzata come finitura superficiale per gli FPCB, in particolare nella saldatura posizioni da proteggere dall'ossidazione durante la saldatura. Gli FPCB sono generalmente realizzati come un foglio di grandi dimensioni. Durante la fase finale della produzione, vengono fustellati e tagliati nella forma e dimensione desiderate, lasciando dietro di sé una grande quantità di scarti ricchi di prezioso metallo Cu. Questo Cu potrebbe essere recuperato mediante una tecnica di disimpegno termico (TDT) ed essere ulteriormente utilizzato in altre applicazioni industriali2,3. In questo studio, abbiamo utilizzato il Cu recuperato dagli FPCB di scarto per sintetizzare il nanomateriale CuO e valutato le prestazioni della scissione termodinamica dell'acqua del materiale sintetizzato.

CuO e Cu2O come ossidi di metalli di transizione sono due fasi semiconduttrici dell'ossido di rame4. Il bandgap diretto per Cu2O è 2,1 eV5 ed è utilizzato in numerose applicazioni, tra cui fotovoltaico6, supercondensatori7, fotocatalisi8 e sensori9. Il CuO, d'altro canto, è preferito per le applicazioni fotoelettrochimiche (PEC) grazie alla sua eccellente capacità di assorbimento della luce e all'elevata stabilità fisica. Il CuO ha potenziali applicazioni in numerosi campi, tra cui i processi fotoelettrochimici di scissione dell'acqua3,4, il fotovoltaico5,6, i supercondensatori7,8, la fotocatalisi9,10, i fotorivelatori11,12,13, le batterie14,15 e i biosensori e i prodotti chimici11,16,17. Il bandgap di CuO può essere ingegnerizzato da 1,2 a 1,7 eV10. Ciò consente al semiconduttore di assorbire lo spettro solare su una gamma più ampia di lunghezze d'onda, rendendolo un candidato interessante per le applicazioni fotovoltaiche. I trasportatori minori eccitati dalla fotoattività vengono guidati all'interfaccia del semiconduttore e dell'elettrolita nella scissione dell'acqua PEC, dove subiscono una reazione redox e generano idrogeno dalle lacune dei semiconduttori di tipo n o ossigeno dagli elettroni dei semiconduttori di tipo p11. Nella scissione dell'acqua, materiali di tipo n come ZnO12, Fe2O313 e TiO214 funzionano come elettrodi di evoluzione dell'ossigeno e sostanze di tipo p come CuBi2O415, InP16 e WSe217 agiscono come elettrodi di evoluzione dell'idrogeno. CuO è un potente fotocatodo per la generazione di idrogeno grazie alla sua conduttività di tipo p e alla precisa posizione della banda di conduzione18.