La ferrite di bismuto, chiamata anche BFO, è un ossido metallico ternario che ha formula BiFeO₃ con una struttura cristallina perovskitica ABO3 con siti A e B occupati rispettivamente da Bi e Fe con elevate proprietà fotocatalitiche, ferromagnetiche ed elettromagnetiche.
Presenta proprietà ferroelettriche e antiferromagnetiche, che rendono la ferrite di bismuto un raro materiale multiferroico ovvero polarizzabile sia elettricamente sia magneticamente allo stesso tempo a temperatura ambiente.
I materiali di ferrite di bismuto possiedono molte proprietà eccellenti, come elevata polarizzazione spontanea, elevato punto di Curie, forte accoppiamento magnetoelettrico e basso band gap (2.2-2.8 eV), che li rendono altamente versatili per varie applicazioni.
La ferrite di bismuto è stata utilizzata come fotocatalizzatore nella regione visibile grazie al suo adeguato band gap ottico, alla buona stabilità chimica e alla polarizzazione elettrica intrinseca e per la produzione di idrogeno dalla decomposizione di acqua e inquinanti organici.
Sintesi della ferrite di bismuto
Sono disponibili molti metodi per la sintesi di nanoparticelle di ferrite di bismuto, tra cui il metodo allo stato solido in cui viene utilizzata una polvere costituita da ossido di bismuto Bi2O3 e ossido di ferro (III) Fe2O3.
La macinazione è eseguita utilizzando sfere di biossido di zirconio ZrO2 stabilizzate con ossido di ittrio Y2O3 da 2 mm in esano utilizzando un mulino a sfere planetario. Le polveri vengono essiccate e calcinate a una temperatura tra 700 e 825 °C in presenza di aria per 1 ora con una velocità di riscaldamento di 600 °C/h. La polvere reagita viene nuovamente macinata e pressata in pellet.
Un altro metodo per la sintesi della ferrite di bismuto, tramite il metodo in soluzione, prevede la reazione di precipitazione dell’idrossido di bismuto Bi(OH)3 e dell’idrossido di ferro (III) in presenza di ammoniaca a pH 9. Il precipitato viene successivamente calcinato a una temperatura tra 650 e 800 °C.
Le nanostrutture di ferrite di bismuto possono essere sintetizzate tramite il metodo sol-gel in cui sono utilizzati quali materiali precursori il nitrato di bismuto pentaidrato Bi(NO3)3 · 5 H2O e il nitrato di ferro (III) nonaidrato Fe(NO3)3· 9 H2O e come solvente una miscela di glicole etilenico e acido acetico in rapporto 4:1.
I precursori vengono solubilizzati nel solvente agitando a temperatura ambiente per ottenere un sol che viene mantenuto a 100 °C fino alla formazione di gel. Prima della ricottura che si esegue a 500 °C e 600 °C, a diverse velocità di riscaldamento di 2, 5 e 10 °C/min il gel essiccato è stato macinato in polveri fini.
In un altro metodo di sintesi che utilizza la sonochimica viene utilizzata una soluzione 0.2 M di nitrato di bismuto pentaidrato e una soluzione 0.2 M di nitrato di ferro (III) esaidrato Fe(NO3)3· 6 H2O, polietilene glicole a basso peso molecolare, bromuro di cetil-trimetilammonio quale tensioattivo per aumentare l’area superficiale, isoottano e butanolo.
Alla soluzione viene aggiunto il biciclo[4.4.0]decano noto come decalina che ha bassa volatilità e bassa viscosità e aumenta la potenza trasferita nel sistema. Viene aggiunta ammoniaca alla soluzione sotto irradiazione ultrasonica immergendo la sonda ultrasonica direttamente nella soluzione.
La sonicazione viene continuata fino alla precipitazione completa. L’intera massa è quindi centrifugata per 10.000 giri al minuto per 30 minuti. Il precipitato viene lavato con acqua distillata per rimuovere gli additivi in eccesso e la polvere infine lavata con etanolo e acetone ed essiccata sotto vuoto a 40 °C, seguita da calcinazione a 500 °C per ottenere la fase pura di ferrite di bismuto.
Un altro metodo utilizza il metodo di evaporazione della soluzione (SEM) utilizzando quantità stechiometriche di nitrati metallici e acido tartarico come agente precipitante. Quantità equimolari di nitrato di ferro nonaidrato e nitrato di bismuto pentaidrato vengono aggiunte all’acido nitrico diluito con concentrazione 2 M come agente ossidante.
La soluzione risultante è posta su una piastra calda e riscaldata a una temperatura di 150-160 °C sotto costante agitazione fino a quando tutto il liquido è evaporato. La polvere è ulteriormente macinata fino a trasformarsi in una polvere fine e ricotta a temperature, comprese tra 400 °C e 650 °C, per 2 ore.
Applicazioni
Grazie alle loro proprietà le nanoparticelle di ferrite di bismuto hanno una vasta gamma di applicazioni come in dispositivi spintronici, sensori, celle di memoria, dispositivi di archiviazione delle informazioni, condensatori, dispositivi optoelettronici e attualmente implementate come fotocatalizzatori guidati dalla luce visibile (VLD acronimo di Visible Light-Driven per il trattamento delle acque reflue.
Rispetto ad altri catalizzatori, la ferrite di bismuto è considerata un materiale fotocatalitico conveniente, facilmente riciclabile, altamente efficiente e stabile in vari intervalli di pH. Per le sue proprietà fotocatalitiche, abbinate alle sue proprietà piezoelettriche e ferroelettriche la ferrite di bismuto può generare specie reattive dell’ossigeno (ROS) quando è esposta a perossido di idrogeno o radiazione luminosa. In campo biomedico viene utilizzata nella terapia fototermica e nella radioterapia, imaging multimodale, la teranostica, la somministrazione di farmaci, la biosensoristica e l’ingegneria tissutale.
Gli studi sulla ferrite di bismuto hanno trovato una applicazione interessante nell’ambito del trattamento delle acque reflue che, se non opportunamente trattate, ospitano pericolosi agenti patogeni, sostanze chimiche e inquinanti, che rappresentano gravi minacce per la salute pubblica.
La tecnologia di trattamento delle acque reflue basata su materiali piezoelettrici ha catturato un notevole interesse per la sua non invasività e rapidità. È stato progettato un materiale composito piezoelettrico altamente efficiente costituito da nanocristalli di ferrite di bismuto incorporati nel chitosano, per decomporre gli inquinanti e asportare i batteri nelle acque reflue.
Da un lato, il BFO ha un coefficiente piezoelettrico in grado di produrre specie reattive dell’ossigeno tramite ultrasuoni e dall’altro il chitosano ha una natura biocompatibile, che non solo promuove l’adesione cellulare, ma aumenta anche significativamente le capacità di produzione di ROS della ferrite di bismuto sotto l’effetto di ultrasuoni.
L’effetto sinergico di queste due unità in un’entità composita mostra una produzione di ROS migliorata, degradando cataliticamente circa l’87.8% di Rodamina B, composto cancerogeno, genotossico irritante e pericoloso per l’ambiente entro 80 minuti sotto trattamento con ultrasuoni.
Inoltre, il campione mostra una notevole attività antibatterica, con un’eradicazione di patogeni come l’Escherichia coli di oltre il 90% entro 30 min.