Summary
Dieser Artikel beschreibt eine synthetische Methode zur Wismut Oxyiodide Mikrosphären, erhalten die hochfunktionelle photokatalytischen Abbau von organischen Schadstoffen, wie z. B. Ciprofloxacin, in Wasser unter UV-A/sichtbar Lichteinstrahlung durchzuführen sind.
Abstract
Wismut Oxyhalide (BiOI) ist ein vielversprechendes Material für Sonnenlicht-getrieben-Umwelt Photokatalyse. Angesichts der Tatsache, dass die physikalische Struktur dieser Art von Materialien hoch, seine photokatalytischen Leistung zusammenhängt, ist es notwendig, die synthetischen Methoden zu standardisieren, um die funktionellsten Architekturen und damit die höchste photokatalytische zu erhalten Effizienz. Hier berichten wir eine zuverlässige Route BiOI Mikrosphären über den Solvothermal-Prozess zu erhalten, Bi (Nr.3)3 und Kaliumjodid (KI) als Vorläufer und Ethylenglykol als Vorlage verwenden. Die Synthese ist ein 150 mL Autoklaven bei 126 ° C für 18 h standardisiert. Dies führt zu 2-3 µm Größe mesoporösen Mikrosphären, mit einer entsprechenden spezifischen Oberfläche (61,3 m2/g). Verkürzung der Reaktionszeiten bei der Synthese entstehen amorphe Strukturen, während höhere Temperaturen zu einem leichten Anstieg in der Porosität der Mikrosphären, ohne Wirkung in der photokatalytischen Leistung führen. Die Materialien sind Foto-aktiv unter UV-A/sichtbar Lichteinstrahlung für den Abbau von dem Antibiotikum Ciprofloxacin in Wasser. Diese Methode hat gezeigt, um wirksam bei Ringversuchen erhalten ähnliche BiOI Mikrosphären in mexikanische und chilenische Forschungsgruppen.
Introduction
Eine Fülle von Halbleitern hat bisher synthetisiert anstreben Photokatalysatoren mit hoher Aktivität unter sichtbaren Lichteinstrahlung, organische Verbindungen abgebaut oder zur Erzeugung erneuerbarer Energien in Form von Wasserstoff1,2. Wismut Oxyhalides BiOX (X = Cl, Br oder I) sind Kandidaten für solche Anwendungen aufgrund ihrer hohen photokatalytische Effizienz unter sichtbaren Licht oder simulierten Sonnenlicht Bestrahlung3,4. Die Band Lücke Energie (E-g) der Wismut Oxyhalides verringert sich mit der Zunahme der Ordnungszahl des das Halogenid; BiOI ist also das Material, die Anzeige der niedrigsten Aktivierungsenergie (E-g = 1,8 eV)5. Jodid Atome, verbunden über Van-Der-Waals-Kraft, Wismut Atome, erstellen Sie ein elektrisches Feld, das die Migration der Ladungsträger, die Halbleiterfläche Auslösung der photokatalytischen Prozess4,6begünstigt. Darüber hinaus hat die Architektur der Kristallit eine entscheidende Rolle in der Trennung, Tion der Ladungsträger. Hochorientierte Strukturen in der Ebene (001) und 3D (z. B. Mikrosphären) erleichtern die Ladungstrennung Träger nach Bestrahlung, Erhöhung der photokatalytischen Leistung7,8,9 , 10 , 11 , 12. vor diesem Hintergrund ist es notwendig, entwickeln zuverlässige synthetischen Methoden, um Strukturen zu erhalten, die die Foto-Aktivität der Wismut Oxyhalide Materialien zu steigern.
Die Solvothermal-Methode ist bei weitem die am häufigsten verwendet und studierte Route BiOI Mikrosphären13,14,15,16zu erhalten. Einige Methoden mit ionischen Flüssigkeiten wurden auch berichtet17, obwohl die Ausgaben im Zusammenhang mit diesen Methoden höher sein können. Mikrosphären Struktur ergibt sich in der Regel mit organischen Lösungsmitteln wie Ethylenglykol, fungiert als koordinierende Agent metallischen Alkoholate, wodurch eine schrittweise selbst-Montage [Bi2O2]2 + Arten18 bilden , 19. über die Solvothermal-Route mit Ethylenglykol erleichtert die Ausbildung der verschiedenen Morphologien durch Veränderung der wichtigsten Parameter bei der Reaktion, wie z. B. Temperatur und Reaktionszeit4,18. Es gibt eine breite Fülle an Literatur auf synthetische Methoden zu BiOI Mikrosphären, die gegensätzliche Informationen hoch photoaktiven Strukturen zu erreichen zeigt. Dieses ausführliche Protokoll zielt zeigt eine zuverlässige synthetische Methode BiOI Mikrosphären hochfunktionelle beim photokatalytischen Abbau von Schadstoffen im Wasser zu erhalten. Wollen wir helfen, neue Forscher erfolgreich erhalten diese Art von Materialien, die häufigsten Fallstricke, verbunden mit dem Syntheseprozess zu vermeiden.
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Protocol
Hinweis: Bitte lesen Sie alle die Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor der Verwendung von chemischen Reagenzien. Befolgen Sie die Sicherheitsprotokolle durch das tragen einen Laborkittel und Handschuhen. Tragen Sie Schutzbrillen UV Schutz während der Photokatalyse-Tests. Beachten Sie, dass Nanomaterialien wichtigere gefährliche Auswirkungen im Vergleich zu ihren Vorläufern darstellen können.
1. Vorbereitung des BiOI Mikrosphären
- Lösen Sie für Lösung 12,9104 g der Wismut Nitrat Pentahydrat (Bi (Nr.3)3∙5H2O) in 60 mL Ethylenglykol in ein Becherglas auf. Lösung 2lösen sich in 0,9960 g Ki in 60 mL Ethylenglykol in ein Becherglas.
Hinweis: Es ist wichtig die anorganischen Salze in organischen Lösungsmittel vollständig auflösen; Es dauert rund 60 min. Ultraschallbehandlung kann hilfreich sein, beide Vorstufen zu lösen. - Tropfenweise, fügen Sie Lösung 2 Lösung 1 (bei einer Durchflussrate von etwa 1 mL/min). Die farblose Lösung 2 ändert sich in eine gelbliche Suspension. Manchmal, wenn Lösung 2 ist abrupt hinzugefügt, eine schwarze Farbe erscheinen mag, durch die Bildung des Komplexes BiI4– . In solchen Fällen muss die Synthese abgebrochen und neu gestartet werden.
Hinweis: Labormaterial muss vollständig getrocknet werden, da das Auftreten von Wasser die unkontrollierte Ausfällung von Bismut Oxid (Bi2O3 fördert). - Rühren Sie die Mischung, mit mäßiger Geschwindigkeit für 30 min bei Raumtemperatur. Übertragen Sie anschließend die Mischung auf eine 150 mL-Autoklaven-Reaktor. Vorsichtig schwenken den Becher um die verbleibenden Suspension aus den Seitenwänden zu entfernen. Es ist möglich, fügen Sie 1 bis 5 mL Ethylenglykol, die Becher zu spülen. Achten Sie darauf, den Reaktor wieder fest verschließen.
Hinweis: Die Autoklaven sollte von 40 % auf 80 % seiner Kapazität zur Erreichung der optimale Druckbedingungen zur Bildung von BiOI Mikrosphären gefüllt werden. Eine weiche Dichtung des Reaktors kann der Druckverlust, die Synthese zu verderben führen. - Thermische Behandlung in den Reaktor in einem Ofen zu versorgen, von Raumtemperatur bis 126 ° C, mit einer Temperaturrampe von 2 ° C/min. halten die Endtemperatur für 18 h10. Dann kühlen Sie die Autoklaven-Reaktor auf Raumtemperatur.
Hinweis: Heizen Sie den Backofen nicht oder bieten Sie eine schnelle Heizung, da es die Bildung von den Mikrosphären verderben wird.
Achtung: Kein auslösen Sie Kühlung durch den Autoklaven mit kaltem Wasser waschen, da die Verformung des Autoklaven führen kann. Versuchen Sie nicht, den Reaktor zu öffnen, während es noch heiß ist, da dies die Freisetzung von Jod Gas führen kann.
2. Waschen die BiOI Mikrosphären
- Trennen Sie das feste Material durch Dekantieren und waschen Sie es um Ethylenglykol so weit wie möglich zu entfernen. Bereiten Sie ein Filtersystem bestehend aus einem 0,8 μm Filterpapier (Klasse 5, frei von Asche) ordnungsgemäß an den Wänden von einem Glastrichter eingehalten. Schließen Sie an einen Erlenmeyerkolben mit einem durchbohrten Korken. Durchführen der Filtrationsschritt durch die Schwerkraft.
- (Optional) Wenn die Aufhängung aus dem Reaktor den Trichter gießen, verwenden Sie deionisiertes Wasser, spülen Sie den Autoklaven-Reaktor.
- Waschen Sie das feste Produkt in das Filterpapier aufbewahrt – eine intensive orange Farbe – mehrmals mit destilliertem Wasser und absoluten Ethanol (technische Qualität). Wechseln Sie das Lösungsmittel waschen, bis das Sickerwasser farblos ist.
Hinweis: Bitte beachten Sie, dass deionisiertes Wasser anorganische Ionen, entfernt während absolute Ethanol die restlichen Ethylenglykol entfernt; Daher müssen beide Lösungsmittel verwendet werden. - Verwenden Sie deionisiertes Wasser in den beiden letzten Waschschritte entfernen jede Spur von absoluten Ethanol und das intensive Orange gefärbten Produkt bei 80 ° C für 24 h trocknen. Schließlich speichern Sie das Material in Braunglas Flaschen, im Dunkeln, vorzugsweise in den Exsikkator gestellt.
3. Charakterisierung der BiOI Mikrosphären
- Führen Sie die x-ray Diffraction Analyse des verwendeten Pulver, mit einer monochromen Cu-Kα Lichtquelle, mit λ = 1.5406 Å, betrieben um 30 kV und 15 mA.
- Bestimmen Sie die spezifische Oberfläche von Brunauer, Emmett-Teller (BET)-Methode, über die Adsorption von N2.
- Ausgasen des Pulvers Proben (500 mg) bei 80 vor der Analyse über Nacht. Messungen der N2 Adsorption an - 75ºC. Berechnen Sie die spezifische Oberfläche und Porenvolumen von Adsorption isothermen.
- Bestimmen Sie die UV-VIS diffuse Reflexion Spektren der Materialien mit einem Spektralphotometer mit einer Gottesanbeterin-Zubehör.
- Trocknen Sie die Pulverproben im Labor Ofen, bei 105ºC über Nacht. Dann legen Sie vorsichtig 30 mg in den Probenport der Gottesanbeterin Accessoire.
- Bestrahlen Pulverproben mit einer Lichtquelle im Bereich von 200 bis 800 nm um die leichte Absorptionsspektrum des Materials zu erhalten. Die Band Lücke Energie (Eg) mit dem Absorptionsspektrum der Probe berechnet.
- Bestimmen Sie die sekundäre Größe die BiOI Mikrosphären durch Rasterelektronenmikroskopie.
- Setzen Sie die Pulver-Probe auf einem Carbon-Band und dann in der Mikroskop-Stub, die Beobachtungen durchzuführen.
- Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung der Proben durch Energie dispersiven Röntgen-Spektroskopie (EDS) Analyse.
4. die photokatalytische Aktivitätstest
- Lösen Sie für die Lösung zu testen7,5 mg Ciprofloxacin in 250 mL destilliertem Wasser, eine 30 ppm-Lösung zu erhalten auf. Übertragen Sie anschließend die Testlösung auf Glas photokatalytische Reaktor. Rühren Sie gründlich die Lösung mit einem Magnetrührer, wobei die Temperatur bei 25 ° C. Blase Luft zur Lösung bei 100 mL/min um Sättigung der Luft zu halten.
- Die Testlösung zu eine Konzentration von 0,25 g/L. sofort erreichen, nehmen die erste Probe (8 mL) mit einer Glasspritze fügen Sie 62,5 mg BiOI Photocatalyst hinzu. Nach 30 min rühren in der Dunkelheit die zweite Probe und die Lichtquelle einschalten.
- Angesichts der Tatsache, dass die Experimente unter UV-A/sichtbar Lichtverhältnissen durchgeführt werden, verwenden Sie eine 70 W Lampe in die Photokatalyse-Tests. Suchen Sie die Lichtquelle 5 cm oberhalb der Photoreactor.
- Nehmen Sie flüssige Proben (8 mL) nach 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 und 300 min der Bestrahlung. Filtern der genommenen Proben nach Durchlaufen einer 0,22 µm-Nylon-Membran, um feste Teilchen aus der Flüssigkeit vor der Analyse zu entfernen. Speichern Sie die gefilterten Proben in Braunglas-Fläschchen bei 4 ° C bis zur Analyse.
- Bestimmen Sie die Mineralisierung von Ciprofloxacin durch die Analyse des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) Konzentration noch in den flüssigen Proben während des photokatalytischen Prozesses.
- Messen Sie die Konzentration des gesamten Kohlenstoffs (TC, in mg/L) über nasse Verbrennung bei 720 ° C, im Beisein einer Pt-Katalysator und Luft-Atmosphäre. Unter solchen Bedingungen ist der Kohlenstoff oxidiert zu CO2 und quantifiziert in ein FTIR-Detektor mit dem TOC-Gerät gekoppelt.
- Festzustellen Sie, die anorganischen Kohlenstoff-Konzentration (IC, in mg/L) über Versauerung von Proben mit 1 M HCl, führt zur Umwandlung von Karbonat und Bikarbonat und CO2· H2O, die in der FTIR-Detektor quantifiziert ist.
- Die Konzentration der TOC noch in Wasserproben durch die folgende Gleichung zu berechnen.
Hinweis: Zur Vermeidung von Interferenzen und somit falsche Ergebnisse, ist es sehr wichtig, jede Spur von organischen Verunreinigungen zu entfernen, reinigen Sie gründlich alle das Glasmaterial in der Probenvorbereitung. Dies kann gerechtfertigt sein, indem Sie mehrmals mit heißem Wasser waschen. - Berechnen Sie die Mineralisierung Ausbeute über die Erschöpfung des gesamten organischen Kohlenstoffs während der Reaktion unter Verwendung der Gleichung:
Hier ist TOCo die Konzentration des gesamten organischen Kohlenstoffs zu Jahresbeginn die Bestrahlung während TOC die Konzentration des gesamten organischen Kohlenstoffs zu jeder Tageszeit die photokatalytische Reaktion ist.
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Representative Results
3D Mikrostrukturen des BiOI wurden erfolgreich durch die vorgeschlagene synthetische Methode synthetisiert. Dies bestätigt die REM-Bilder dargestellt in Abbildung 1a–c. Die Mikrosphären werden von laminaren Strukturen [Bi2O2]2 +, gebildet, die durch zwei Iodid Atome1verbunden sind. Die Bildung von den Mikrosphären hängt die Temperatur und die Zeit des Solvothermal-Verfahrens, wie diese Parameter die Kristallisation des Oxyhalide3,4,5,6ausschließen. [Bi2O2] 2 + Platten beginnen mit Jodid Atome zu laminaren Strukturen interagieren, wenn die Temperatur in der Solvothermal-Ansatz über 120 ° C1geht. Dann, auf eine höhere Temperatur und/oder längere Reaktionszeit, Lamellen nach dem Zufallsprinzip angeordnet sind, bauen die Mikrosphären1,2,3,4,5,6 ,7,8. Bei eine Temperatur von 130 ° C für 12 h geliefert wurde, amorphe Strukturen beobachtet (Abbildung 1a) und Jodid wurde auf das Atomgitter, was zur Bildung von Bi5O7ich Material nicht vollständig assimiliert. Dann, wenn die thermische Behandlung 126 ° C für 18 Uhr war, wurden perfekt geformte kugelförmigen Strukturen (Abbildung 1 b) erhalten. Mesoporösen Mikrosphären des BiOI wurden auch erzielt, wenn eine Solvothermal Behandlung bei 160 ° C für 18 h (Abbildung 1 c) durchgeführt wurde. Basierend auf SEM-Analyse, wurde der mittlere Durchmesser der Strukturen im Bereich von 2 bis 3 µm gefunden.
Analyse von x-ray Diffraction zeigten die Prävalenz der vierkantig kristallinen Phase (Tabelle 1), mit einer hohen Exposition (110) und (012) Flugzeuge, nach der TERMTUD Karte 73-2062. Als Mikrosphären gebildet wurden, die Ausrichtung der Kristallit sank aufgrund der Selbstmontage der BiOI Platten in 3D-Strukturen, die wird allgemein beobachtet in früheren Werken1,2,3,15 , 16 , 17. Abbildung 2 vergleicht die Röntgendiffraktometrie (XRD) Muster der BiOI Mikrosphären bei 126 ° C und 160 ° C mit dem XRD-Muster eines 0D BiOI Materials erhalten. Aus diesen Informationen ist es möglich festzustellen, dass die Kristallisation des BiOI Materials bei Temperaturen über 100 ° C beginnt und dann [Bi2O2]+ Platten zufällig anordnen BiOI Mikrosphären mit keine Ausrichtung der bilden die kristalline Phase.
Die spezifische Oberfläche der Mikrosphären (61,28 m2/g) war ganz ähnlich wie für andere Halbleiter in der Regel beschäftigt in Photokatalyse, wie TiO2 (Tabelle 1) gemeldet. Eine große spezifische Oberfläche kann in den photokatalytischen Prozess vorteilhaft sein, da eine höhere Anzahl von organischen Molekülen auf die Halbleiterfläche reagieren mit den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) produziert von Ladungsträgern (z. B. •OH, adsorbiert werden können • O2–und H2O2).
Die spezifische Oberfläche Bereich und Pore stieg mit der Temperatur und die Reaktionszeit bei der Solvothermal Behandlung von 9,61 m2/g in der amorphen Phase bis 61,28 m2/g bei 126 ° C und 18 h verwendet wurden. Keine signifikanten Unterschiede in der spezifischen Oberfläche fanden sich als Mikrosphären synthetisiert 126 bis 160 ° C verglichen wurden; So wurden 126 ° C für 18 h als die optimalen Bedingungen der Synthese eingestellt. Typ IV-isothermen wurden in BET Analyse (Abbildung 3), darauf hinweist, dass BiOI Mikrosphären mesoporösen Materialien erhalten. Die optische Charakterisierung von den Mikrosphären enthüllt ihre Fähigkeit photoaktiven unter sichtbaren Lichteinstrahlung zu sein, wie bereits von der Band Abstandswert in Tabelle 1gezeigt.
Chemische Charakterisierung der Materialien wurde von einer kompositorischen Analyse über EDS durchgeführt. Die Zusammensetzung der BiOI Materialien, die eine stöchiometrische Verhältnis gehalten wurde beibehalten, wenn die Solvothermal-Synthese bei niedriger Temperatur (Tabelle 2) durchgeführt wurde. Auf der anderen Seite, wenn die Temperatur der Solvothermal Synthese erhöht, "hinkt" das Iodid-laden. Dies kann zur Aufnahme von Halogenid-Atome in der Halbleiter-Gitter, wodurch eine geringere Menge von Halogenid-Atomen auf der Oberfläche zurückzuführen. Wenn das Lösungsmittel in der Solvothermal-Route wurde zu Wasser, die Assimilation von Iodid deutlich verringert, um Bi5O7erhalten habe ich geändert.
Die photokatalytische Aktivität die Mikrosphären bei 126 ° C und 18 h synthetisiert wurde bewertet nach der Mineralisierung von Antibiotikum Ciprofloxacin in reinem Wasser unter UV-A/sichtbar Lichteinstrahlung. Wie in Abbildung 4ersichtlich, konnten die Mikrosphären antibiotische Substanz in Wasser über den photokatalytischen Prozess zu mineralisieren. Es ist klar, wie Photolyse war nicht in der Lage, organische Molekül CO2 (Abbildung 4, blau), vollständig zu oxidieren, während Mineralisierung auf verschiedenen Ebenen, mit BiOI als ein Photocatalyst erreicht werden konnte. Diese Ergebnisse zeigen die Photoactivity der synthetisierten Materialien, komplexe organische Moleküle, wie Ciprofloxacin vollständig zu oxidieren. Ein Vergleich der Mineralisierung Rate erfolgte mit Hilfe der BiOI gewaschen mit Ethanol und Wasser (wie im Protokoll angegeben) und andere Mikrosphären-Materialien, die nur mit Wasser (Abbildung 4, rot und schwarz) gewaschen wurden. Es wurde beobachtet, wie unvollständig gewaschene Material zur Lösung, stören mit der TOC-Messungen in Wasserproben, sowie mit dem Prozess der Mineralisierung organischen Kohlenstoff lösen konnte.
Die Freisetzung von organischem Kohlenstoff aus der Photocatalyst wurde in der ersten Phase der Photokatalyse Assays beobachtet, beim Rühren in der Dunkelheit zur Verfügung gestellt wurde. Abbildung 5 zeigt die Adsorption von Ciprofloxacin auf der Oberfläche der BiOI Mikrosphären nur mit Wasser und die Behandlung mit Ethanol/Wasser-Gemisch gewaschen. Mikrosphären gewaschen mit dem Ethanol/Wasser-Gemisch zeigte einige Adsorption von organischen Moleküls, während die Freisetzung von organischem Kohlenstoff für das Material nur mit Wasser gewaschen erkannt wurde. Dies lässt sich durch die unvollständige Reinigung der Adsorption Websites auf dem BiOI Material nur mit Wasser gewaschen, was auf der einen Seite die Auflösung von Ethylenglykol und auf der anderen Seite in der unteren Adsorption von Ciprofloxacin, mit dem daraus resultierenden Rückgang die photokatalytische Aktivität.
Abbildung 1: REM-Bilder der Materialien. Erhältlich bei (einem) 130 ° C für 12 h, (b) 126 ° C 18 h, und (c) 160 ° C für 18 h. Auf der linken Seite sind Bilder mit niedriger Auflösung angezeigt, während vergrößerte Bilder auf der rechten Seite zur Verfügung gestellt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: x-ray Diffraction Muster. (Ein) 0D BiOI (001)-orientierte Material, (b) BiOI Mikrosphären bei 126 ° C für 18 h synthetisiert und (c) BiOI Mikrosphären bei 160 ° C für 18 h synthetisiert. Es ist den Verlust der Orientierung der Kristalle gezeigt, wenn Mikrosphären gewonnen wurden. Die Beugungsmuster sind gegenüber der Referenzkarte TERMTUD 73-2062. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: N2 Adsorption isothermen der Wismut Oxyhalide Mikrosphären Materialien synthetisiert 126 bis 160 ° C und im Vergleich zu 0 D BiOI, in der (001) Facette orientiert. Typ IV-isothermen, beschreibt mesoporösen Materialien sind in dieser Grafik dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Mineralisierung Rate von Ciprofloxacin in Photolyse und Photokatalyse testet mit dem BiOI Mikrosphären erhalten mit und ohne die Verwendung von Ethanol-Wasser-Gemisch Waschschritt. Die experimentelle Fehler erhält durch Standardabweichung Bars. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: volle Konzentration von organischen Kohlenstoffs (TOC) in Wasserproben zu Beginn der Versuche und nach 30 min rühren im Dunkeln. Die experimentelle Fehler erhält durch Standardabweichung Bars. Die Bestimmung des TOC wurde in einer Probe der Testlösung durchgeführt, nachdem diese Lösung in Kontakt mit BiOI Mikrosphären unter ständigem Rühren 30 min in der Dunkelheit war. Auf der y-Achse TOCB bezieht sich auf organischem Kohlenstoff in die Testlösung während TOCL repräsentiert der Gehalt an organischen Kohlenstoff nach 30 min rühren in der Dunkelheit, kurz bevor die Lichtquelle eingeschaltet ist. Die Grafik zeigt, wie das Material gewaschen mit Ethanol und Wasser (gewaschen) eine positive Adsorption des organischen Kohlenstoffs aus der Lösung präsentiert, während das Material gewaschen nur mit Wasser (nicht gewaschen) eine negative Adsorption, zum Ausdruck, wodurch die Freisetzung von organischen Kohlenstoff in die Lösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| PARAMETER | WERT |
| kristalline Struktur | Vierkantig |
| Kristallit Größe (nm) | 4.12 |
| Wetten Sie-Bereich (m2/g) | 61.28 |
| Porendurchmesser (nm) | 17.7 |
| ZB (eV) | 1,94 |
Tabelle 1: Charakterisierung der BiOI Mikrosphären synthetisiert durch die vorgeschlagene Methode.
| BI (bei. %) | O (im. %) | Ich (im. %) | |
| BiOI | 33.65 ± 0,86 | 33.59 ± 0,54 | 32.76 ± 0,58 |
| BI5O7ich | 40.43 ± 0,21 | 52.37 ± 0,38 | 7,19 ± 0,18 |
| BiOI @ 126ºC | 37.09 ± 0,98 | 38.50 ± 0,35 | 24.41 ± 0,37 |
| BiOI @ 160ºC | 26.81 ± 0,42 | 58.97 ± 0,51 | 14,21 ± 0,46 |
Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung der BiOI Materialien durch EDS bestimmt.
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Discussion
Wir betrachten die Mischung der Ausgangsstoffe als der entscheidende Schritt bei der Solvothermal Synthese von BiOI Mikrosphären. Ein sehr langsam tropft der KI-Lösung in die Bi (Nr.3)3 -Lösung (bei einem Maximum von 1 mL/min) ist entscheidend für die mesoporösen Mikrosphären zu erhalten, da es die langsame Bildung ermöglicht und Selbstorganisation der [Bi2O2]+ 2 Platten , gefolgt von der Bindung an die Jodid-Atome bilden die BiOI Laminate. Die Lamellen sind die Ziegel von den Mikrosphären in den Solvothermal Schritt (Abbildung 1). Temperatur und Einwirkzeit sind die Schlüsselfaktoren in der Solvothermal-Synthese, da hohe Temperaturen zunächst die Kristallisation des [Bi2O2] erlauben+ Platten und dann die Anordnung dieser Platten die Mikrosphären erstellen 1 , 3. mesoporösen Mikrosphären wurden erzielt, wenn die Temperatur über 120 ° C gehalten wurde, während 3D-Strukturen unvollständig gebildet wurden, als die Reaktionszeit unter 18 h war. Ebenso war die Assimilation von Iodid bei niedriger Temperatur und kürzere Reaktionszeit, wodurch Iodid mangelhaft Materialien wie Bi4O5ich2 (gelb-farbigen) unvollständig.
Das richtige Waschen der BiOI Materialien muss durchgeführt werden, um funktionelle Photokatalysatoren erhalten, da Ethylenglykol auf der Materialoberfläche durchsetzen können, wenn es nur mit Wasser (auch mit heißem Wasser) gewaschen wird. Die Überreste des Äthylenglykols können in die Lösung freigegeben werden, bevor die photokatalytische Tests gestartet werden, behindern den Abbau und die Mineralisierung von Ciprofloxacin, wenn die Lichtquelle eingeschaltet ist. Es ist wichtig im Auge zu behalten, die Alkohole der CO2-Gehalt gemessen an TOC Analyse unverhältnismäßig erhöhen können. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, die Materialien abwechselnd mit Ethanol und Wasser zu waschen. Steigt die Konzentration an organischem Kohlenstoff im Wasser durch den photokatalytischen Prozess, kann es durch Wiederherstellung des Materials und waschen mit Ethanol und heißem Wasser gelöst werden.
Die vorgeschlagene Methode kann in Bezug auf die Autoklaven Größe geändert werden. Hier berichten wir die Synthese mit einem 150 mL-Parr-Reaktor; jedoch können Synthesen mit einer größeren Reaktionskammer durchgeführt werden. Basierend auf unserer Erfahrung, können in der Synthese, wodurch eine leichte Erhöhung des spezifischen Oberfläche von den Mikrosphären 250 mL Parr Reaktoren verwendet werden. Eine solche Änderung hat jedoch keine Auswirkung auf die photokatalytischen Leistung des Materials. Es ist wichtig zu bedenken, dass skalieren die Methode mit höheren Volumina der höchsten Solvothermal Reaktoren auf dem Markt 2.000 mL ist-erfordert weitere Experimente.
Grenzen des vorgeschlagenen Verfahrens liegen in der low-Potential der Aufstockung höherer Absatzmengen, angesichts der Tatsache, dass größere Reaktoren kaum auf dem Markt zu finden sind. Auch, wie oben erwähnt, Verluste von Ethylenglykol auftreten, wenn der Autoklav-Reaktor nicht fest verschlossen ist. Beachten Sie Auswaschung von dem organischen Lösungsmittel in der Syntheseprozess um zu vermeiden, das Produkt zu verderben; einige Autoklav-Reaktoren sind mit einem Manometer ausgestattet, um diese Aufgabe zu erleichtern. Im Falle einer Leckage kann der Autoklaven mit der angemessene Sicherheitsausrüstung, verhindern die Kühlung des Reaktors geschlossen werden. Wenn innerhalb der ersten 2 h der Synthese dieses Problem gelöst ist, erhalten Sie noch Mikrosphären mit akzeptablen photokatalytische Aktivität.
Mikrosphären werden kaum gebildet, wenn andere organische Lösungsmittel (Glyzerin, Methanol, Ethanol) verwendet werden, wobei Wasser Ergebnisse in der niedrigsten Assimilation von Iodid, was zur Bildung von Bi5O7ich (weiß-farbigen) Material. Eine weitere Erhöhung der Reaktionstemperatur (über 180 ° C) kann der chemischen Reduktion von Bismut an metallischem Bismut, führen die von Ethylenglykol als eine reduktive Agent erleichtert werden kann.
Bisher gibt es wenige Alternativen Berichterstattung die Synthese von BiOI Mikrosphären. Montoya-Zamora Et Al.20 durchgeführt zum Beispiel Niederschlag mit EDTA, was zu unregelmäßigen Mikrosphären mit einem niedrigen Einsatzbereich. Auf der anderen Seite zielte die Forschung er Et Al.21 auf die mechanische Synthese von BiOI Mikrosphären bei Raumtemperatur erreichen orientierten Kristalle mit einer niedrigeren BET-Oberfläche als die in dieser Studie beobachtet. Die synthetische Methode vorgeschlagen, in diesem Werk wird derzeit verwendet, um andere Wismut Oxyhalides wie BiOCl22 und BiOBr23, die bewiesen haben, effizient photokatalytischen Abbau organischer Schadstoffe in Wasser und keinezu synthetisieren x in Luft20sowie in der Entwicklung von Wasserstoff-19. Die jüngste Forschung zielt darauf ab, Wismut Oxyhalides bei der Reduzierung des CO2 -Moleküls zu verwenden, um Wasserstoff und leichten Kohlenwasserstoffen (künstliche Photosynthese)24zu produzieren. Wenn man bedenkt, dass Synthese durch die Solvothermal-Methode worden erfolgreich durchgeführt mit reproduzierbare Ergebnisse in zwei verschiedenen Ländern (Mexiko und Chile), es wird erwartet, dass diese Methode skaliert werden kann und ihre Anwendung in Kläranlagen verbessert.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren der Secretaría de Ciencia Danke, Tecnología e Innovación De La Ciudad de México für die Ressourcen zur Verfügung gestellt, um die Durchführung dieser Arbeit durch das geförderte Projekt SECITI/047/2016 und die nationalen Mittel für wissenschaftliche und technologische Entwicklung Chile (FONDECYT 11170431).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Bismuth(III) nitrate pentahydrate | Sigma Aldrich | 383074 | ACS reagent, ≥98.0% |
| Potassium iodide | Sigma Aldrich | 746428 | ACS reagent, ≥98.0% |
| Ethylene glycol | Sigma Aldrich | 324558 | Anhydrous, 99.8% |
| Ethanol | Meyer | 5405 | Technical Grade, 96% |
| Ciprofloxacin | Sigma Aldrich | 17850 | HPLC, ≥98.0% |
| Cary 5000 UV-Vis-NIR spectrophotometer | Agilent | Used for the Band gap determination by the Tauc model. | |
| JSM-5600 Scanning Electron Microscope | JOEL | Used for the SEM images. | |
| Autosob-1 | Qantachrome Instruments | Used for the determination of surface area and pore diameter. | |
| TOC-L Total Organic Carbon Analyzer | Shimadzu | Used for determination of total organic carbon in water samples. | |
| Bruker AXS D8 Advance - X-ray Diffraction | Bruker | Determination of crystal structure and crystallite size |
References
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