Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

שיטה מלאה להערכת הביצועים של photocatalysts עבור השפלה של אנטיביוטיקה בתיקון סביבתי

Published: October 6, 2022 doi: 10.3791/64478
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Chemical Engineering, Northwest University

Summary

מוצג כאן פרוטוקול לחקר סדרה אוניברסלית של הליכים ניסיוניים להערכת מעבדה מקיפה של פוטוזרזים בתחום הטיהור הסביבתי, תוך שימוש בדוגמה של הסרה פוטוקטליטית של מולקולות מזהמים אורגניים אנטיביוטיים ממים על ידי תרכובות פוספט כסף רגישות לפתלוציאנין.

Abstract

תרופות אנטיביוטיות שונות כגון טטרציקלין, אוראומיצין, אמוקסיצילין ולבופלוקסצין נמצאות בכמויות גדולות במערכות מי תהום וקרקע, מה שעלול להוביל להתפתחות חיידקים עמידים ועמידים לתרופות רבות, המהווים איום על בני אדם, בעלי חיים ומערכות סביבתיות. הטכנולוגיה הפוטוקטליטית משכה עניין רב בשל הטיפול המהיר והיציב שלה והשימוש הישיר באנרגיה סולארית. עם זאת, רוב המחקרים המעריכים את הביצועים של זרזים מוליכים למחצה עבור פירוק פוטוקטליטי של מזהמים אורגניים במים אינם שלמים כיום. במאמר זה, פרוטוקול ניסויי מלא מתוכנן להעריך באופן מקיף את הביצועים הפוטוקטליטיים של זרזים מוליכים למחצה. כאן, פוספט כסף דודקהדרלי מעוין הוכן בשיטת סינתזת פאזת ממס פשוטה בטמפרטורת החדר ולחץ אטמוספרי. חומרי BrSubphthalocyanine/Ag3PO4 heterojunction הוכנו בשיטה solvothermal . הביצועים הקטליטיים של חומרים מוכנים לפירוק טטרציקלין הוערכו על ידי לימוד גורמים משפיעים שונים כגון מינון זרז, טמפרטורה, pH ואניונים בלחץ אטמוספרי באמצעות מנורת קסנון של 300 W כמקור אור שמש מדומה ועוצמת אור של 350 mW / cm2. בהשוואה למחזור הראשון, BrSubphthalocyanine/Ag 3 PO 4 הבנוי שמר על 82.0% מהפעילות הפוטוקטליטית המקורית לאחר חמישה מחזורים פוטוקטליטיים, בעוד Ag3PO4 הטהור שמר על 28.6% בלבד. היציבות של דגימות פוספט כסף נבדקה עוד יותר על ידי ניסוי בן חמישה מחזורים. מאמר זה מספק תהליך שלם להערכת הביצועים הקטליטיים של זרזים מוליכים למחצה במעבדה לפיתוח זרזים מוליכים למחצה עם פוטנציאל ליישומים מעשיים.

Introduction

טטרציקלינים (TC) הם אנטיביוטיקה נפוצה המספקת הגנה יעילה מפני זיהומים חיידקיים ונמצאים בשימוש נרחב בגידול בעלי חיים, חקלאות ימית ומניעת מחלות 1,2. הם מופצים באופן נרחב במים בשל שימוש יתר שלהם יישום לא נכון בעשורים האחרונים, כמו גם הזרמת שפכים תעשייתיים3. הדבר גרם לזיהום סביבתי חמור ולסיכונים חמורים לבריאות האדם; לדוגמה, נוכחות יתר של TCs בסביבה המימית יכולה להשפיע לרעה על התפלגות הקהילה המיקרוביאלית ועמידות חיידקים, מה שמוביל לחוסר איזון אקולוגי, בעיקר בשל האופי ההידרופילי והביו-מצטבר מאוד של אנטיביוטיקה, כמו גם רמה מסוימת של פעילות ביולוגית ויציבות 4,5,6 . בשל יציבות יתר של TC בסביבה, קשה לשבור באופן טבעי; לכן, פותחו שיטות רבות, כולל טיפולים ביולוגיים, פיסיקוכימיים וכימיים 7,8,9. טיפולים ביולוגיים יעילים מאוד ועולים10,11. עם זאת, מכיוון שהם רעילים למיקרואורגניזמים, הם אינם מפרקים ומינרלים ביעילות מולקולות אנטיביוטיות במים12. למרות ששיטות פיסיקוכימיות יכולות לסלק אנטיביוטיקה משפכים באופן ישיר ומהיר, שיטה זו רק ממירה את מולקולות האנטיביוטיקה מהפאזה הנוזלית לשלב המוצק, אינה מפרקת אותן לחלוטין, והיא יקרה מדי13.

בניגוד לשיטות קונבנציונליות, פוטוקטליזה של מוליכים למחצה נמצאת בשימוש נרחב לפירוק מזהמים בעשורים האחרונים בשל תכונות הפירוק הקטליטי היעיל שלה14. לדוגמה, הזרז המגנטי נטול המתכות האצילות FexMny של Li et al. השיג חמצון פוטוקטליטי יעיל של מגוון מולקולות אנטיביוטיות במים ללא שימוש במחמצןכלשהו 15. יאן ועמיתיו דיווחו על סינתזה באתרו של ננו-יריעות NiCo2O4 דמויות שושן על פחמן שמקורו בביומסה כדי להשיג הסרה פוטוקטליטית יעילה של מזהמים פנוליים ממים16. הטכנולוגיה מסתמכת על זרז מוליך למחצה המעורר על ידי אור כדי ליצור אלקטרונים פוטו-נוצרים (e-) וחורים (h+)17. e- ו- h+ שנוצרו בפוטו יומרו לרדיקלים אניונים סופראוקסידים (O 2-) או רדיקלים הידרוקסילים (OH-) על ידי תגובה עם O 2 ו- H 2 O נספגים, ומינים פעילים חמצוניים אלה מחמצנים ומפרקים מולקולות מזהמים אורגניות במים ל- CO 2 ו- H 2O ולמולקולות אורגניות קטנות אחרות18,19,20 . עם זאת, אין תקן שדה אחיד להערכת ביצועי פוטוקטליזטור. הערכת הביצועים הפוטוקטליטיים של חומר צריכה להיחקר במונחים של תהליך הכנת הזרז, תנאים סביבתיים לביצועים קטליטיים אופטימליים, ביצועי מיחזור זרזים וכו '. Ag3PO 4, עם היכולת הפוטוקטליטית הבולטת שלו, עורר דאגה משמעותית בתיקון סביבתי. פוטוקטליסט חדש זה משיג יעילות קוונטית של עד 90% באורכי גל גדולים מ-420 ננומטר, שהיא גבוהה משמעותית מהערכים21 שדווחו בעבר. עם זאת, קורוזיה חמורה של פוטו וקצב הפרדת חורי אלקטרונים לא מספק של Ag3PO4 מגבילים את היישום הרחב שלו22. לכן, נעשו ניסיונות שונים להתגבר על חסרונות אלה, כגון אופטימיזציה של צורה23, סימום יונים 24, ומבנה הטרוסטרוקטיבי25,26,27. במאמר זה, Ag3PO4 שונה באמצעות בקרת מורפולוגיה וכן הנדסת הטרו-צמתים. ראשית, גבישי דודקהדרל Ag3PO4 מעוינים עם אנרגיית פני שטח גבוהה הוכנו על ידי סינתזת פאזת ממס בטמפרטורת החדר תחת לחץ הסביבה. לאחר מכן, BrSubphthalocyanine אורגני על-מולקולרי (BrSubPc), שיכול לפעול הן כמקבל אלקטרונים והן כתורם אלקטרונים, הורכב בעצמו על משטח פוספט הכסף בשיטה המסילה 28,29,30,31,32,33,34,35 . הביצועים הפוטוקטליטיים של החומרים המוכנים הוערכו על ידי חקירת ההשפעה של גורמים סביבתיים שונים על הביצועים הפוטוקטליטיים של הדגימות המוכנות כדי לפרק כמויות זעירות של טטרציקלין במים. מאמר זה מספק התייחסות להערכה שיטתית של הביצועים הפוטוקטליטיים של החומרים, שהיא בעלת משמעות לפיתוח עתידי של חומרים פוטוקטליטיים ליישומים מעשיים בתיקון סביבתי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת BrSubPc

הערה: מדגם BrSubPc הוכן על פי עבודה36 שפורסמה בעבר. התגובה מתבצעת במערכת קו ואקום צינורית בשורה כפולה, ותהליך התגובה נשלט בקפידה בתנאים נטולי מים וללא חמצן.

  1. טיפול מקדים בחומרי גלם
    1. שוקלים 2 גרם של o-dicyanobenzene, לייבש אותו בתנור ואקום במשך 24 שעות, להוציא אותו ולאחר מכן לטחון אותו בזהירות במכתש אגת.
    2. שים אותו שוב בתנור ואקום במשך שבוע אחד; לאחר מכן, להוציא אותו ולשים אותו מייבש.
    3. למדוד 50 מ"ל של o-dichlorobenzene, להוסיף 1 גרם של מגנזיום גופרתי נטול מים, ולערבב את התערובת בטמפרטורת החדר (RT) במשך 24 שעות במהירות בינונית.
  2. לאחר מכן, סנן את התמיסה תחת לחץ מופחת (-0.1-0.09 MPa), לאסוף את התסנין, ולהניח אותו בצד.
  3. הוסף O-dicyanobenzene מטופל מראש (10 mmol, 1.28 גרם) לתוך בקבוק Schlenk 100 מ"ל, פנה את המערכת עם התקן קו ואקום צינור שורה כפולה, ומלא את המערכת בחנקן. לאחר מכן, הזריקו 50 מ"ל של o-dichlorobenzene שעבר טיפול מראש תחת ערבוב מגנטי ב-1,000 סל"ד למשך שעה אחת כדי לפזר את o-dicyanobenzene באופן אחיד.
  4. הכניסו את בקבוק שלנק לאמבט מי קרח, הוסיפו 1.3 מ"ל בורון טריברומיד (BBr 3) תחת ערבוב מגנטי ב-1,000 סל"ד למשך 120 דקות, וצפו בצבע מערכת התגובה משתנה לחום כהה.
  5. לאחר מכן, עברו במהירות לאמבט שמן, העלו את הטמפרטורה לריפלוקס של 120 מעלות צלזיוס למשך 10 שעות, וצפו בצבע מערכת התגובה משתנה מחום כהה לסגול בהיר.
  6. מפסיקים לחמם ומצננים ל-RT. מסננים את התמיסה בלחץ מופחת (-0.1-0.09 MPa) ואוספים את עוגת הפילטר, כאשר המוצק הסגול על העוגה הוא המוצר הגולמי.
  7. שים את המוצר הגולמי BrSubPc המתקבל לתוך תנור ואקום במשך 20 שעות. מוציאים וטוחנים דק את המוצר. לאחר מכן, לחלץ עם 200 מ"ל של תמיסת מתנול ב Soxhlet extractor עד התמיסה הופך חסר צבע.

2. הכנת הדודקהדרל הרומביAg 3PO4

הערה: Rhombic dodecahedral Ag3PO4 הוכן על פי הספרות שדווחה בעבר35.

  1. הכנת פתרון התגובה
    1. עבור תמיסת NH 4 NO 3 (0.05 M) בשם פתרון 1, יש להמיס 6 גרם של אמוניום חנקתי (NH4NO3, 99%) ב-200 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה, ולטפל בגלים על-קוליים בתדר 40 קילוהרץ, הספק של 300 ואט למשך 5 דקות במחזור אחד כדי להמיס אותו לחלוטין. לאחר מכן, לשים אותו לתוך בקבוק נפח 500 מ"ל כדי לתקן את עוצמת הקול.
    2. עבור תמיסת NaOH (0.2 M) בשם תמיסה 2, יש להמיס 4 גרם נתרן הידרוקסידי (NaOH, 99%) במים נטולי יונים, ב-200 מ"ל במיכל זכוכית, ולבצע סוניקציה למשך 5 דקות בתדר 40 קילו-הרץ, הספק של 300 ואט במחזור אחד כדי להמיס אותה במלואה. לאחר מכן, לשים אותו לתוך בקבוק נפח 500 מ"ל כדי לתקן את עוצמת הקול.
    3. עבור תמיסת AgNO 3 (0.05 M) בשם תמיסה 3, יש להמיס 4.25 גרם כסף חנקתי (AgNO3, 99.8%) במים נטולי יונים, ב-200 מ"ל במיכל זכוכית, ולהסוניק במשך 5 דקות בתדר 40 קילו-הרץ, הספק של 300 ואט במחזור אחד כדי להמיס אותו במלואו. לאחר מכן, לשים אותו לתוך בקבוק נפח 500 מ"ל כדי לתקן את עוצמת הקול.
    4. עבור פתרון K2 HPO 4 (0.1 M) בשם פתרון 4, יש להמיס 11.41 גרם אשלגן מימן פוספט (K2HPO4, 99.5%) במים נטולי יונים, ב-400 מ"ל במיכל זכוכית, ולהסוניק במשך 5 דקות כדי להמיס אותו במלואו. לאחר מכן, לשים אותו לתוך בקבוק נפח 500 מ"ל כדי לתקן את עוצמת הקול.
  2. הוסף 2526 מ"ל של מים נטולי יונים, ולאחר מכן הוסף 180 מ"ל של תמיסת NH 4 NO 3 (0.4מטר), 54 מ"ל של תמיסת NaOH (0.2 מטר) ו- 120 מ"ל של תמיסת AgNO3 (0.05 מטר) ברצף לכד.
  3. ערבבו את התמיסה במרץ במשך 10 דקות כדי להכין את קומפלקס [Ag(NH3)2]+ . לבסוף, הוסף 120 מ"ל של תמיסת K2HPO4 (0.1 M) למתחם וערבב במשך 5 דקות. לאחר שצבע התמיסה משתנה מחסר צבע לצהוב בהיר, המשקע המתקבל הוא Ag3PO4 rhombic dodecahedral.
  4. להפריד את המשקע שנוצר על ידי צנטריפוגה ב 7155.5 x גרם במשך 10 דקות ב RT ולאחר מכן צנטריפוגה אותו שלוש פעמים עם 50 מ"ל של מים deionized באותם תנאים. אחסנו את ה-decahedral Ag3PO4 ב-RT בסביבה יבשה, הרחק מאור.

3. הכנת BrSubPc/Ag 3PO4

הערה: ארבעה יחסים מרוכבים שונים של BrSubPc ל- Ag3PO4 הוכנו על פי יחסי המסה של 1:25, 1:50, 1:75 ו- 1:100.

  1. להמיס 5.77 מ"ג של BrSubPc ב 50 מ"ל של אתנול בכד זכוכית. להמיס את BrSubPc לחלוטין על ידי סוניקציה בתדר 40 קילוהרץ, הספק של 300 ואט במחזור אחד למשך 30 דקות ב-RT.
  2. לאחר מכן, הוסף 144.25 מ"ג של Ag3PO4 לתמיסה לעיל ובצע sonicate בתדר 40 kHz, הספק של 300 W במחזור אחד למשך 30 דקות ב- RT.
  3. ערבבו את התמיסה הנ"ל באמבט מים בטמפרטורה של 80°C כדי לאפשר אידוי מלא של האתנול.
  4. יבש את האבקה החומה-צהובה וכתוצאה מכך לילה בתנור ב 60 מעלות צלזיוס. הדגימה שהוכנה נקראת BrSubPc/Ag3PO4 (1:25).
  5. עבור דגימות היחס המרוכב האחרות (1:50, 1:75 ו- 1:100), בצע את אותו הליך הכנה (שלבים 3.1-3.4) כמו BrSubPc/Ag 3PO 4 (1:25) אך שנה את כמות BrSubPc ל- 2.94 מ"ג, 1.97 מ"ג ו- 1.49 מ"ג, ואת הכמות המתאימה של Ag3PO4 ל- 147.0 מ"ג, 147.75 מ"ג ו- 149.0 מ"ג, בהתאמה.

4. אפיון הדגימות

  1. בצע ניתוח עקיפה של קרני רנטגן של חומרים אבקתיים באמצעות מקור אור מונוכרומטי Cu-Kα, λ = 0.15418 ננומטר, הפועל ב 30 kV ו 15 mA.
  2. השתמש בספקטרוסקופיית אינפרא אדום התמרת פורייה (FT-IR) כדי לאפיין את התכונות המבניות של החומרים המוכנים; טווח אורכי גל המדידה הוא 500-4000 ס"מ-1.
  3. למדוד את תכונות הספיגה של החומרים המוכנים על ידי ספקטרוסקופיית ספיגה מוצקה אולטרה סגולה (UV-vis) בטווח של 200-800 ננומטר.
  4. קבע את גודל החלקיקים, המיקרו-מבנה והמורפולוגיה של הדגימות המוכנות על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים במתח תאוצה של 5.00 KV, גלאי InLens, הגדלה 500-13000, מרחק עבודה 7.4-7.7 מ"מ.
  5. קח 5 מ"ל של תמיסת התגובה לאחר 5 מחזורים, וקבע את עוצמת הקול ל -10 מ"ל באמצעות HNO3 מרוכז. עיכול תמיסת התגובה באמצעות ספקטרומטר פליטה פלזמה-אופטי מצומד אינדוקטיבי (ICP-OES) בקצב משאבה של 100 סל"ד לדקה, זרימת נבולייזר של 28.0 psi, גז עזר של 0.5 מ"ל/דקה וזמן שטיפה לדוגמה של 20 שניות.

5. בדיקת פעילות פוטוקטליטית

הערה: מקור האור הוא מנורת קסנון של 300 ואט, ומסנן של 400 ננומטר משמש להסרת אור אולטרה סגול ממקור האור. מנורת הקסנון הותקנה 15 ס"מ מעל התמיסה, ועוצמת האור נקבעה כ- 350 mW / cm2.

  1. עבור פתרון הבדיקה, 10 מ"ג של טטרציקלין (TC) היה מומס ב 500 מ"ל של מים מזוקקים כדי לקבל פתרון 20 ppm.
  2. לאחר מכן, להעביר 50 מ"ל של תמיסת TC הבדיקה לכור פוטוקטליטי זכוכית. ערבבו היטב את התמיסה עם מערבל מגנטי ב-1000 סל"ד ושמרו על טמפרטורה של 25°C. לאחר מכן, הפעל את מתג משאבת האוויר והוסף את האוויר לתמיסה בקצב של 100 מ"ל/דקה כדי לשמור על רוויית האוויר.
  3. הוסף 50 מ"ג של photocatalyst מוכן לתמיסת הבדיקה כדי להגיע לריכוז של 1 גרם / ליטר.
  4. קח את הדגימה הראשונה (3 מ"ל) מיד באמצעות מזרק זכוכית. לאחר ערבוב של 30 דקות בחושך, קחו את הדגימה השנייה והפעילו את מקור האור.
  5. לאחר הקרנה במשך 5 דקות, 10 דקות, 15 דקות, 20 דקות ו-30 דקות, יש ליטול דגימות נוזל (3 מ"ל). סנן את כל הדגימות שחולצו דרך קרום ניילון 0.22 מיקרומטר כדי להסיר חלקיקים מוצקים לפני הניתוח. יש לאחסן את הדגימות המסוננות הרחק מהאור בצינורות צנטריפוגות של 5 מ"ל עד לניתוח.
  6. מדוד את ריכוז TC באמצעות ספקטרופוטומטר UV-Vis ב- 356 ננומטר. להעריך את ההשפעה הפוטוקטליטית על ידי קצב השפלה; נוסחת החישוב הספציפית של שיעור ההשפלה היא כדלקמן (Eq. (1)).
    Equation 1(1)
    כאשר A0 היא קליטת הדגימה לפני ההארה, A היא קליטת הדגימה בזמן הארה של t min.
  7. השתמש באותם הליכים ניסיוניים עבור מינונים שונים של זרז, עם כמויות זרז התחלתי כמו 30 מ"ג, 40 מ"ג, 50 מ"ג, 60 מ"ג ו 70 מ"ג.
  8. לניסויים עם pHs שונים, התאם את ה- pH של תמיסת טטרציקלין (50 מ"ל, 20 מ"ג / ליטר) בין 2.0 ל -9.0 עם 0.01 mol / L HCl ותמיסת NaOH. השתמש BrSubPc/Ag3PO4 כזרז עם מינון זרז של 50 מ"ג. עבור הליכים ניסיוניים פוטוקטליטיים אחרים, בצע את השלבים 5.2-5.6 שתוארו לעיל.
  9. לחקור את ההשפעה של טמפרטורת התגובה על photodegradation של טטרציקלין באמצעות BrSubPc / Ag3PO4 כזרז עם מינון זרז של 50 מ"ג תמיסה pH = 6; טווח הטמפרטורות הוא 10-50 מעלות צלזיוס. הליכים ניסיוניים פוטוקטליטיים אחרים זהים לשלבים 5.2-5.6 שתוארו קודם לכן.
  10. חקור את ההשפעות של אניונים שונים על הביצועים הפוטוקטליטיים של הזרזים על ידי הוספת 5 mmol / L Na 2 SO4, 5 mmol / L Na2CO 3, 5 mmol /L NaCl ו- 5 mmol / L NaNO3 עד 50 מ"ל של תמיסת טטרציקלין, בהתאמה. השתמש BrSubPc/Ag3PO4 כזרז עם מינון זרז של 50 מ"ג ותמיסה pH = 7. הליכים ניסיוניים פוטוקטליטיים אחרים זהים לשלבים 5.2-5.6 שתוארו קודם לכן.
  11. לאחר כל מחזור של תגובת פירוק פוטוקטליטית, צנטריפוגה את התמיסה המגיבה ב 7155.5 x גרם במשך 10 דקות ב- RT, ולאחר מכן צנטריפוגה אותה שלוש פעמים עם 10 מ"ל של מים deionized באותם תנאים (3 x 10 מ"ל). יבש את המוצק ב 120 ° C במשך 1 שעה. בצע חמישה ניסויי פוטו-פירוק רצופים באמצעות פוטוקטליזטורים ששוחזרו לאחר כל שלב ללא שינוי בריכוז הכולל של הזרז כדי להעריך את יציבות הפוטוקטליסט BrSubPc/Ag3PO4 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

דודקהדרון מעוין Ag3PO4 סונתז בהצלחה באמצעות שיטת סינתזת שלב ממס זו. זה אושר על-ידי תמונות SEM שמוצגות באיור 1A,B. על פי ניתוח SEM, הקוטר הממוצע של המבנה הדודקהדרלי הרומבי נמצא בין 2-3 מיקרומטר. המיקרו-גבישים הבתוליים של BrSubPc מראים מבנה פתיתי גדול ולא סדיר (איור 1C). בדגימה המרוכבת, הטיטניום דו-חמצני עדיין שמר על המבנה הננו-ספירי המקורי, אולם לא נמצא מבנה יריעת פתלוציאנין, מה שאומר שמולקולות הפתלוציאנין הורכבו באופן אחיד על פני השטח של טיטניום דו-חמצני (איור 1D). כפי שניתן לראות באיור 2A, כל הדגימות מראות שיא אופייני הממוקם ב-20.9°, 29.7°, 33.3°, 36.6°, 42.5°, 47.8°, 52.7°, 55.0°, 57.3°, 61.6°, 65.8°, 69.9°, 71.9°, ו-73.8°, אשר יוחסו לפאות (110), (200), (210), (211), (220), (310), (222), (320), (321), (321), (400), (330), (420), (421) ו-(332) של המבנה המעוקב ממורכז הגוף של Ag3PO4 (JCPDS No. 06-0505)21. מצד שני, דגימות BrSubPc/Ag 3 PO 4 לא הראו פסגות אופייניות נוספות של BrSubPc, בעיקר בגלל כמות BrSubPc שנטענה על פני השטח של Ag 3 PO 4 הייתה נמוכה ועוצמת שיא העקיפההעיקרי של Ag3PO 4 ירדה ככל שכמות BrSubPc גדלה. ספקטרום FT-IR של הדגימות שהוכנו מנותח כפי שמוצג באיור 2B. עבור BrSubPc, הפסגות האופייניות הנפוצות יותר בספקטרום FT-IR הן פסגות של 743 cm-1, 868 cm-1, 943 cm-1 ו- 1452 cm-1; תכונה זו היא רטט המתיחה והכיפוף של קשרי C-C ו- C-N של עמוד השדרה של טבעת הבנזן. הפסגה החלשה ב-624 ס"מ-1 היא הפסגה האופיינית למתיחה של קשר B-Br. תנודות המתיחה הסימטריות והא-סימטריות של P-O-P גרמו לאותן פסגות FT-IR ב-546 ס"מ-1 ו-931 ס"מ-1 עבור Ag 3 PO 4 ו-BrSubPc/Ag 3PO4 בתוליים, בהתאמה. Ag3PO4 הטהור יכול לבלוע אור באורכי גל של פחות מ-530 ננומטר, ול-BrSubPc יש שתי פסגות אופייניות ב-310 ננומטר וב-570 ננומטר, בהתאמה (איור 2C). בהשוואה ל- Ag 3PO 4 טהור, הדגימה המרוכבת BrSubPc/Ag 3 PO 4 מראה ספיגה מוגברת משמעותית באזור הנראה לעין, מה שמאשר כי חלקיקי Ag3PO 4 מכוסים בהצלחה על ידי מיקרו-גבישים BrSubPc. זה יכול להוכיח כי BrSubPc / Ag3PO4 מרוכב הוא מבטיח מאוד אור נראה המושרה photocatalyst.

הפעילות הפוטוקטליטית של החומרים שהוכנו הוערכה בעקבות פירוק האנטיביוטיקה TC במים טהורים תחת הקרנת אור נראה מדומה (λ > 400 ננומטר). כפי שניתן לראות באיור 3A, הביצועים הפוטוקטליטיים של Ag3PO4 טהורים הראו רק 72.86% ירידה ב-TC לאחר 0.5 שעות של הקרנת אור נראה. ניתן לראות כי כל הזרזים המרוכבים הראו פירוק משופר של TC כאשר ננו-גבישים על-מולקולריים של BrSubPc הועמסו על פני השטח של Ag3PO4. בפרט, BrSubPc/Ag3PO4 (1:50) השיג ירידה של 94.54% ב-TC לאחר 0.5 שעות של תאורת אור נראה, בהתאמה. מודל תגובה פסאודו-מסדר ראשון (l−ln (C/C 0) = kt)28, שבו k הוא קבוע הקצב הנראה, שימש כדי להתאים לקינטיקה של פירוק הפוטו-פירוק של TC על ידי דגימות שונות. כפי שניתן לראות באיור 3B, קבוע הקצב הנראה של התפרקות TC על ידי תרכובות BrSubPc/Ag3 PO 4 (1:50) היה גבוה פי 1.69 מזה של Ag3PO4 הטהור. התוצאות לעיל מצביעות על כך שהביצועים הפוטוקטליטייםשל Ag 3 PO 4 משופרים באופן משמעותי כאשר Ag3PO4 משולב עם ננו-גבישים על-מולקולריים BrSubPc.

יציבות האור והשימוש החוזר של זרזים פוטו-זרזים הם גורמים חשובים המשפיעים על היישומים המעשיים שלהם, וניסויי פירוק מיחזור נערכו על המרוכבים הטהורים Ag3 PO 4 ו- BrSubPc/Ag3PO4 (1:50). איור 3C מראה כי לאחר חמישה מחזורים של הזרזים המוכנים, המשולב עדיין הראה שיעור הסרת TC גבוה של 77.5%. עם זאת, הסרת TC על ידי בתולי Ag3PO4 ירד מ 72.86% ל 20.84%. בנוסף, ניתוח XRD של דגימות BrSubPc/Ag3PO 4 (1:50) הראה כי שיאי XRD של הדגימות המחזוריות לא השתנו בהשוואה ל-XRD של הדגימות המקוריות (איור 4), מה שהוכיח את היציבות הטובה של הדגימות המרוכבות בתגובה הפוטוקטליטית. תוצאות בדיקת ICP-OES של תמיסת התגובה לאחר חמישה מחזורים הראו כי ריכוז הכסף היסודי בתמיסה לאחר התגובה של Ag 3 PO 4 טהור היה 1.3מ"ג/ליטר, בעוד שריכוז הכסף היסודי בתמיסה לאחר התגובה של הדגימה המרוכבת של BrSubPc/Ag3PO4 (1:50) היה 0.1 מ"ג/ליטר (טבלה 1 ). זה מצביע על כך שלתגובה הפוטוקטליטית של הדגימה המורכבת יש יציבות טובה יותר בהשוואה לזו של Ag3PO4 טהור.

בתהליך הפוטוקטליטי, לכמות המינון הפוטוקטליסטי יש גם השפעה חשובה על האפקט הפוטוקטליטי, מינון נמוך מדי עלול להוביל ליעילות ניצול אור נמוכה יותר ולאפקט פוטוקטליטי ירוד, ומינון פוטוקטליסטי גבוה מדי עלול להוביל לעלות גבוהה יותר ולא כלכלית. כמות קטנה מדי של פוטוקטליסט עלולה להוביל ליעילות ניצול אור נמוכה יותר ולאפקט פוטוקטליטי ירוד, בעוד שכמות גדולה מדי של פוטוקטליסט עלולה להוביל לעלות גבוהה יותר ולטיפול לא כלכלי בשפכים. לכן, חשוב לקבוע את המינון האופטימלי photocatlyst. כפי שניתן לראות באיור 5A, לאחר 30 דקות של תגובה חשוכה, הספיחה וההסרה של טטרציקלין עלו ככל שריכוז הפוטוקטליסט בתמיסת התגובה עלה (המינון עלה) מאחר שריכוז הטטרציקלין כחומר הסופח בתמיסה נשאר זהה, בעוד שריכוז הפוטוקטליסט כחומר הסופח עלה, מה שאומר שגם הנקודה הפעילה על פני השטח של הספיגה בתמיסה גדלה, וההסתברות לספיחת התנגשות עם הספיגה גדלה. משמעות הדבר היא כי ההסתברות של ספיחה התנגשות עם adsorbate עולה, וכתוצאה מכך ירידה בריכוז של adsorbate בתמיסה. קצב ההתפרקות של TC על ידי פוטוקטליזטורים ב-0.6 גרם/ליטר, 0.8 גרם/ליטר, 1 גרם/ליטר, 1.2 גרם/ליטר ו-1.4 גרם/ליטר היה 71.6%, 75.0%, 94.5%, 95.7% ו-95.7% לאחר 30 דקות של תגובת אור, בהתאמה. כאשר ריכוז הזרז עלה על 1.0 גרם לליטר, קצב הפירוק של TC יכול להגיע ליותר מ -90% תוך 30 דקות של תגובת אור. מהניתוח הנ"ל ניתן לראות כי כאשר ריכוז הפוטוקטליסט הוא 1.4 גרם לליטר, מושג אפקט ההסרה הטוב ביותר של טטרציקלין, וההשפעה הפוטוקטליטית לא השתפרה משמעותית בהשוואה לריכוז הזרז של 1.0 גרם לליטר, בעוד שמינון הזרז היה גבוה ב -40%. ניתוח הנתונים הקינטיים של השפלה באיור 5B מראה גם כי 1.4 גרם/ליטר ו-1.2 גרם/ליטר אינם שונים באופן משמעותי בהשוואה ל-1.0 גרם/ליטר. מנקודת מבט כלכלית, המינון האופטימלי של חומר מרוכב הוא 1.0 גרם / ליטר.

כפי שניתן לראות באיור 5C, ההשפעה של pH על הפירוק הפוטוקטליטי של החומר המרוכב לסילוק TC היא גדולה יחסית. pH התמיסה המימית TC זוהה להיות 6, מראה את יעילות השפלה הטובה ביותר. הביצועים הפוטוקטליטיים של החומרים המרוכבים הופחתו מעט בתמיסות חומציות, בעוד שיעילות פירוק TC נחלשה יותר בתמיסות ניטרליות ובסיסיות. את הנתונים הקינטיים המרביים לפירוק TC ניתן לראות גם באיור 5D בתמיסה pH=6. בתמיסות אלקליין עם pH גבוה, טטרציקלין יהיה נוכח בתמיסה בצורה של TC -, אשר תהיה דחייה אלקטרוסטטית עם הזרז, וכתוצאה מכך השפלה ירודה של טטרציקלין. בתמיסות חומציות עם pH נמוך, טטרציקלין נמצא בעיקר בתמיסה כ-TC+, ו-H+ יתחרה ב-TC+ בתמיסה שתיספג על ידי הפוטוקטליסט, מה שמעכב את מגע TC+ עם הפוטוקטליסט, ובכך יפחית את הפעילות הפוטוקטליטית במערכת.

במציאות, שפכים אנטיביוטיים מכילים לעתים קרובות גם אניונים מסוימים (Cl-, SO4 2-, NO 3-, CO32-, וכו '), ואניונים נפוצים אלה עשויים להשפיע גם על התהליך הפוטוקטליטי. כפי שניתן לראות באיור 5E, התוספת של SO42 עיכבה את ספיחת מולקולות TC על פני הזרז במהלך שלב התגובה החשוכה. ייתכן שהסיבה לכך היא ש-SO42-, כאניון טעון שלילית, מתחרה עם מולקולות הטטרציקלין על האתר הפעיל על פני השטח הפוטוקטליסט, וכתוצאה מכך פוחת מספר מולקולות הטטרציקלין שיכולות לעבור חמצון קטליטי או היווצרות סביבה קוטבית מאוד קרוב לפני השטח של הפוטוקטליזטור, מה שמונע את התפשטות הטטרציקלין לאתר הפעיל של הפוטוקטליסט37 . כאשר תגובת האור בוצעה במשך 30 דקות, שיעור השפלת TC במערכת ללא האניון היה 94.5%, בעוד שבמערכת עם Cl-, SO4 2-, NO 3-, ו- CO 3 2- אניון, שיעור השפלת TC היה 79.2%, 77.3%, 85% ו- 80.3%, בהתאמה. נתונים קינטיים של השפלת TC משקפים גם את עיכוב השפלת TC על-ידי הוספה של כל האניונים (איור 5F). לתוספת של כל האניונים הייתה השפעה מעכבת על הפירוק הפוטוקטליטי של TC, אך קצב השפלת TC לא הושפע יתר על המידה.

התוצאות של השפעת הטמפרטורה על ההתפרקות הפוטוקטליטית של TC מוצגות באיור 5G. שיעורי ההשפלה היו 35.3%, 70.6%, 94.5%, 96.5% ו-98.0% למשך 30 דקות של פוטוריאקציה ב-10°C, 20°C, 30°C, 40°C ו-50°C, בהתאמה. קצב השפלה של טטרציקלין גדל בהדרגה עם העלייה בטמפרטורה. הנתונים הקינטיים של השפלה עבור TC מאיור 5H מראים גם שלטמפרטורה יש השפעה גדולה על יעילות ההתפרקות. מולקולות טטרציקלין נודדות מהר יותר כתוצאה מעליית הטמפרטורה של התמיסה, מה שמקל על ספיגתן כאשר הן במגע עם משטח הזרז. בנוסף, בטמפרטורות גבוהות יותר, חורי אלקטרונים שנוצרו בפוטו מזווגים באופן פעיל יותר, מה שמאפשר לאלקטרונים להיקשר לחמצן נספג מהר יותר ולחורים לייצר רדיקלים הידרוקסילים עם -OH במים מהר יותר, מה שמאיץ את הרס הטטרציקלין38.

Figure 1
איור 1: תמונות SEM. (A,B) Ag3PO4. הצד השמאלי מציג תמונה ברזולוציה נמוכה, והצד הימני מספק תמונה מוגדלת. (ג) BrSubPc ו-(D) BrSubPc/Ag3PO4. כל הדגימות נמדדו במצב אבקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: ספקטרום XRD, FT-IR ו-UV-Vis של הדגימות . (A) תבניות XRD. עבור ניתוח XRD, טווח הסריקה היה 10°-80°, ומהירות הסריקה הייתה 8°/min. המספרים הממוקמים אנכית בתחתית מציינים את מישור הגביש המתאים. (B) ספקטרום FT-IR. כל הדגימות נבדקו במצב האבקה המיובשת. (C) ספקטרום UV-vis של הדגימות. אבקות מוצקות שימשו למדידה בטווח של 200-800 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: התפרקות פוטוקטליטית של TC. (A) התפרקות פוטוקטליטית של TC, הקואורדינטה האנכית C 0 מציינת את הבליעה הראשונית של TC (0.664) שנמדדה באמצעות ספקטרופוטומטר UV-vis, ו-C מציינת את הבליעה של TC בכל נקודת דגימה. (B) קבועי הקצב הנראים k עבור TC photodegradation של Ag3 PO 4 ו- BrSubPc/Ag3PO4, המחושבים ממודל התגובה הפסאודו-מסדר ראשון (l-ln(C/C0) = kt). (C) ניסוי מחזור של BrSubPc/Ag3PO4 (1:50) עבור תגובת פירוק פוטוקטליטית TC, התגובות האחרונות מבוססות כולן על הדגימות שנאספו לאחר השלב הקודם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: תבניות XRD של BrSubPc/Ag3PO4. תבניות XRD של BrSubPc/Ag3PO4 (1:50) לפני ואחרי התגובה הפוטוקטליטית בטווח סריקה של 10°-80° ומהירות סריקה של 8°/min. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: חקירת פירוק פוטוקטליטי של TC בהשפעת גורמים שונים. (A) מינונים שונים של זרזים, (C) pH שונה, (E) אניונים שונים ו-(G) טמפרטורות שונות. קבועי הקצב הנראים k עבור פירוק TC באמצעות (B) מינונים שונים של זרז, (D) pH שונה, (F) אניונים שונים ו-(H) טמפרטורות שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

לדוגמה רכיבי בדיקה תוכן יסוד לדוגמה (מ"ג/ליטר)
אג3ת.ד.4 אג 1.3
BrSubPc:Ag3PO4 (1:50) אג 0.1

טבלה 1: נתוני ICP-OES. נתוני ריכוז יסוד Ag בתמיסת התגובה לאחר חמישה מחזורים של בדיקות באמצעות ICP-OES.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במאמר זה אנו מציגים מתודולוגיה מלאה להערכת הביצועים הקטליטיים של חומרים פוטוקטליטיים, כולל הכנת זרזים, חקירת גורמים המשפיעים על פוטוקטליזה וביצועי מיחזור זרזים. שיטת הערכה זו היא אוניברסלית וישימה לכל הערכות ביצועי החומרים הפוטוקטליטיים.

במונחים של שיטות הכנת חומר, תוכניות רבות דווחו להכנת dodecahedral rhombic Ag3PO4 באמצעות מבשרים שונים21,22. השיטה בה השתמשנו הומוגנית יחסית מבחינת צורת Ag3PO4 מסונתז, תהליך הסינתזה פשוט, ניתן לסנתז כמויות גדולות, ויש פחות גורמים המשפיעים על תהליך הניסוי. יש לציין כי אמוניום חנקתי, חומר גלם לסינתזה של Ag3PO4, הוא סוכן מחמצן והוא נתון לפירוק נפץ על ידי השפעה אלימה או חום, ולכן יש לאחסן אותו ולהשתמש בו כדי למנוע השפעה אלימה. בסינתזה של המרוכבים, BrSubPc הומס תחילה בכמות מספקת של תמיסת אתנול כדי להרוס את הכוחות החלשים בין מולקולות BrSubPc (קשרי מימן, אינטראקציה π-π), לאחר מכן Ag 3 PO 4 נוסף בכמות מתאימה, והאתנול התאדה על ידי חימום, שבמהלכו מולקולות BrSubPc מרכיבות את עצמן מחדש על פני השטח Ag3PO4 באמצעות קשרי מימן בין-מולקולריים ואינטראקציה π-π.

נבדקה ההשפעה של כמויות זרזים שונות, pH תמיסה, אניונים בתמיסה וטמפרטורת תגובה על הביצועים הפוטוקטליטיים של החומרים המוכנים. קצב זרימת האוויר, עוצמת מקור האור ומרחק מקור האור מהכור צריכים להיות נשלטים בעת ביצוע תגובות פוטוקטליטיות, עם גורמים משפיעים שונים. בעת סינון דגימות באמצעות קרום ניילון 0.22 מיקרומטר, יש לציין כי לא כל מזהמי השפלה מתאימים לשימוש עם קרום ניילון 0.22 מיקרומטר מכיוון שמזהמים מסוימים חסומים מטבעם על ידי קרום ניילון 0.22 מיקרומטר, ובמקרה זה יש להשתמש בצנטריפוגה כדי להפריד את הזרז מתמיסת התגובה. לכן, יש להשתמש בקרום ניילון של 0.22 מיקרומטר כדי לסנן תמיסה פשוטה של מזהמים ללא זרז כדי לשלול את האפשרות שהמזהמים עצמם עלולים להיחסם על ידי קרום הניילון של 0.22 מיקרומטר.

זרז יכול להיחשב כפוטוקטליסט מבטיח רק אם הוא מראה ביצועים קטליטיים טובים תחת מערכת הערכה זו ולא אם רק גורם משפיע אחד נחקר מבלי לקחת בחשבון גורמים סביבתיים. בנוסף, כדי לקדם התפתחות בריאה של תחום הטיהור הסביבתי הפוטוקטליטי, אנו מאמינים כי יש לקבוע את אותם קריטריונים להערכה עבור אותו מזהם, למשל, ריכוז TC אחיד של 20 מ"ג/ליטר, מינון זרז של 1 גרם/ליטר, עוצמת אור של 350 mW/cm2, קצב זרימת אוויר של 100 מ"ל/דקה וטמפרטורה של 30°C לפירוק TC, כך שניתן יהיה לבחור את הזרז הטוב ביותר לפירוק אותו מזהם על ידי השוואת דוחות ספרות שונים.

הביצועים הפוטוקטליטיים של הפוטוקטליסט מקיפים יותר מאלה שדווחו בכמה מאמרים 39,40,41, במיוחד בניסויים פוטוקטליטיים במעבדה כדי להבטיח תכולת חמצן יציבה במים ולקחת בחשבון את ההשפעה התרמית. המגבלה של תוכנית זו היא שהיא אינה לוקחת בחשבון את ההשפעה של עובי אופטי של כור ותכונות אופטיות של זרז על ביצועים פוטוקטליטיים, שניהם חשובים בעת ביצוע מעבדות סקייל-אפ42,43,44. תכנית זו מספקת התייחסות להערכת סילוק מולקולות דמויות אנטיביוטיקה ממים על ידי פוטוזרזים במעבדה ומפצה על היעדר קריטריונים אחידים להערכת יכולת טיהור המים הפוטוקטליטיים של פוטוקטליזטורים בשטח. פרוטוקול מחקר זה יכול להיות מורחב לתחומים פוטוקטליטיים אחרים, כגון ייצור מימן פוטוקטליטי והפחתת פחמן דו חמצני פוטוקטליטי45,46. מומלץ כי לכל תחום צריכה להיות מערכת של קריטריונים קפדניים לפרוטוקול מחקר להערכת הביצועים הקטליטיים של זרזים, אשר יסייעו לבחור את הפוטוקטליזטורים הטובים ביותר עבור יישומים תעשייתיים ניסיוניים מוקדמים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (21606180), ותוכנית המחקר הבסיסית למדעי הטבע של שאאנשי (תוכנית מס '2019JM-589).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
300 W xenon lamp CeauLight CEL-HXF300
AgNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7783-99-5
Air Pump Samson Group Co. ACO-001
BBr3 Bailingwei Technology Co., Ltd. 10294-33-4
Constant temperature circulating water bath Beijing Changliu Scientific Instruments Co. HX-105
Dichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 75-09-2
Ethanol Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 64-17-5
Fourier-transform infrared Bruker Vector002
Hexane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 110-54-3
HNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7697-37-2
ICP-OES Aglient 5110
K2HPO4 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 16788-57-1
Magnesium Sulfate Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 10034-99-8
Methanol Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-56-1
NaOH Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 1310-73-2
NH4NO3 Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 6484-52-2
o-dichlorobenzene Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 95-50-1
o-dicyanobenzene Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 91-15-6
Scanning electron microscopy JEOL JSM-6390
Trichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-66-3
Ultraviolet-visible Spectrophotometer Shimadzu UV-3600
X-ray diffractometer Rigaku D/max-IIIA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chen, Q. S., Zhou, H. Q., Wang, G. C., Bi, G. H., Dong, F. Activating earth-abundant insulator BaSO4 for visible-light induced degradation of tetracycline. Applied Catalysis B: Environmental. 307, 121182 (2022).
  2. Liu, C. H., et al. Photo-Fenton degradation of tetracycline over Z-scheme Fe-g-C3N4/Bi2WO6 heterojunctions: Mechanism insight, degradation pathways and DFT calculation. Applied Catalysis B: Environmental. 310, 121326 (2022).
  3. Zhou, L. P., et al. Piezoelectric effect synergistically enhances the performance of Ti32-oxo-cluster/BaTiO3/CuS p-n heterojunction photocatalytic degradation of pollutants. Applied Catalysis B: Environmental. 291, 120019 (2021).
  4. Liu, S. Y., et al. Anchoring Fe3O4 nanoparticles on carbon nanotubes for microwave-induced catalytic degradation of antibiotics. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (35), 29467 (2018).
  5. Xue, J. J., Ma, S. S., Zhou, Y. M., Zhang, Z., He, M. Facile photochemical synthesis of Au/Pt/g-C3N4 with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (18), 9630-9637 (2015).
  6. Chen, Y. X., Yin, R. L., Zeng, L. X., Guo, W. Q., Zhu, M. S. Insight into the effects of hydroxyl groups on the rates and pathways of tetracycline antibiotics degradation in the carbon black activated peroxydisulfate oxidation process. Journal of Hazardous Materials. 412 (15), 12525 (2021).
  7. Dong, C., Ji, J., Shen, B., Xing, M., Zhang, J. Enhancement of H2O2 decomposition by the co-catalytic effect of WS2 on the Fenton reaction for the synchronous reduction of Cr(VI) and remediation of phenol. Environmental Science & Technology. 52 (19), 11297-11308 (2018).
  8. Van Doorslaer, X., Demeestere, K., Heynderickx, P. M., Van Langenhove, H., Dewulf, J. UV-A and UV-C induced photolytic and photocatalytic degradation of aqueous ciprofloxacin and moxifloxacin: Reaction kinetics and role of adsorption. Applied Catalysis B: Environmental. 101 (3-4), 540-547 (2011).
  9. Shi, Y. J., et al. Sorption and biodegradation of tetracycline by nitrifying granules and the toxicity of tetracycline on granules. Journal of Hazardous Materials. 191 (1-3), 103-109 (2011).
  10. Guan, R., et al. Efficient degradation of tetracycline by heterogeneous cobalt oxide/cerium oxide composites mediated with persulfate. Separation and Purification Technology. 212, 223-232 (2019).
  11. Shao, S., Wu, X. Microbial degradation of tetracycline in the aquatic environment: a review. Critical Reviews in Biotechnology. 40 (7), 1010-1018 (2020).
  12. Wang, W., et al. High-performance two-dimensional montmorillonite supported-poly(acrylamide-co-acrylic acid) hydrogel for dye removal. Environmental Pollution. 257, 113574 (2020).
  13. Yang, B., et al. Interactions between the antibiotic tetracycline and humic acid: Examination of the binding sites, and effects of complexation on the oxidation of tetracycline. Water Research. 202, 117379 (2021).
  14. Lian, X. Y., et al. Construction of S-scheme Bi2WO6/g-C3N4 heterostructure nanosheets with enhanced visible-light photocatalytic degradation for ammonium dinitramide. Journal of Hazardous Materials. 412, 125217 (2021).
  15. Li, X., et al. Bimetallic FexMny catalysts derived from metal organic frameworks for efficient photocatalytic removal of quinolones without oxidant. Environmental Science-Nano. 8 (9), 2595-2606 (2021).
  16. Li, X., et al. Fabrication of ultrathin lily-like NiCo2O4 nanosheets via mooring NiCo bimetallic oxide on waste biomass-derived carbon for highly efficient removal of phenolic pollutants. Chemical Engineering Journal. 441, 136066 (2022).
  17. Makoto, E., et al. Charge carrier mapping for Z-scheme photocatalytic water-splitting sheet via categorization of microscopic time-resolved image sequences. Nature Communications. 12, 3716 (2021).
  18. Karim, A. F., Krishnan, S., Shriwastav, A. An overview of heterogeneous photocatalysis for the degradation of organic compounds: A special emphasis on photocorrosion and reusability. Journal of the Indian Chemical Society. 99 (6), 100480 (2022).
  19. Abdurahman, M. H., Abdullah, A. Z., Shoparwe, N. F. A comprehensive review on sonocatalytic, photocatalytic, and sonophotocatalytic processes for the degradation of antibiotics in water: Synergistic mechanism and degradation pathway. Chemical Engineering Journal. 413, 127412 (2021).
  20. Gao, Y., Wang, Q., Ji, Z. G., Li, A. M. Degradation of antibiotic pollutants by persulfate activated with various carbon materials. Chemical Engineering Journal. 429, 132387 (2022).
  21. Bi, Y. P., Ouyang, S. X., Umezawa, N., Cao, J. Y., Ye, J. H. Facet effect of single-crystalline Ag3PO4 sub-microcrystals on photocatalytic properties. Journal of the American Chemical Society. 133 (17), 6490-6492 (2011).
  22. Hasija, V., et al. A strategy to develop efficient Ag3PO4-based photocatalytic materials toward water splitting: Perspectives and challenges. ChemCatChem. 13 (13), 2965-2987 (2021).
  23. Zhou, L., et al. New insights into the efficient charge transfer of the modified-TiO2/Ag3PO4 composite for enhanced photocatalytic destruction of algal cells under visible light. Applied Catalysis B: Environmental. 302, 120868 (2022).
  24. He, G. W., et al. Facile controlled synthesis of Ag3PO4 with various morphologies for enhanced photocatalytic oxygen evolution from water splitting. RSC Advances. 9 (32), 18222-18231 (2019).
  25. Lee, Y. J., et al. Photocatalytic degradation of neonicotinoid insecticides using sulfate-doped Ag3PO4 with enhanced visible light activity. Chemical Engineering Journal. 402, 12618 (2020).
  26. Shi, W. L., et al. Three-dimensional Z-Scheme Ag3PO4/Co3(PO4)2@Ag heterojunction for improved visible-light photocatalytic degradation activity of tetracycline. Journal of Alloys and Compounds. 818, 152883 (2020).
  27. Shi, W. L., et al. Fabrication of ternary Ag3PO4/Co3(PO4)2/g-C3N4 heterostructure with following Type II and Z-Scheme dual pathways for enhanced visible-light photocatalytic activity. Journal of Hazardous Materials. 389, 12190 (2020).
  28. Wang, B., et al. A supramolecular H12SubPcB-OPhCOPh/TiO2 Z-scheme hybrid assembled via dimeric concave-ligand π-interaction for visible photocatalytic oxidation of tetracycline. Applied Catalysis B: Environmental. 298, 120550 (2021).
  29. Wang, B., et al. Novel axial substituted subphthalocyanine and its TiO2 photocatalyst for degradation of organic water pollutant under visible light. Optical Materials. 109, 110202 (2020).
  30. Wang, B., et al. Novel axial substituted subphthalocyanines and their TiO2 nanosupermolecular arrayss: Synthesis, structure, theoretical calculation and their photocatalytic properties. Materials Today Communication. 25, 101264 (2020).
  31. Li, Z., et al. Synthesis, characterization and optoelectronic property of axial-substituted subphthalocyanines. ChemistryOpen. 9 (10), 1001-1007 (2020).
  32. Li, Z., et al. Construction of novel trimeric π-interaction subphthalocyanine-sensitized titanium dioxide for highly efficient photocatalytic degradation of organic pollutants. Journal of Alloys and Compounds. 855, 157458 (2021).
  33. Wang, Y. F., et al. Efficient TiO2/SubPc photocatalyst for degradation of organic dyes under visible light. New Journal of Chemistry. 48, 21192-21200 (2020).
  34. Yang, L., et al. Novel axial substituted subphthalocyanine sensitized titanium dioxide H12SubPcB-OPh2OH/TiO2 photocatalyst: Synthesis, density functional theory calculation, and photocatalytic properties. Applied Organometallic Chemistry. 35 (8), 6270 (2021).
  35. Li, Z., et al. Fabrication of SubPc-Br/Ag3PO4 supermolecular arrayss with high-efficiency and stable photocatalytic performance. Journal of Photochemistry and Photobiology, A. Chemistry. 405, 112929 (2021).
  36. Zhang, B. B., et al. SubPc-Br/NiMoO4 supermolecular arrays as a high-performance supercapacitor electrode materials. Journal of Applied Electrochemistry. 50, 1007-1018 (2020).
  37. Yuan, X. X., et al. Preparation, characterization and photodegradation mechanism of 0D/2D Cu2O/BiOCl S-scheme heterojunction for efficient photodegradation of tetracycline. Separation and Purification Technology. 291, 120965 (2022).
  38. Dai, T. T., et al. Performance and mechanism of photocatalytic degradation of tetracycline by Z-scheme heterojunction of CdS@LDHs. Applied Clay Science. 212, 106210 (2021).
  39. Zhou, L. P., et al. Piezoelectric effect synergistically enhances the performance of Ti32-oxo-cluster/BaTiO3/CuS p-n heterojunction photocatalytic degradation of pollutants. Applied Catalysis B: Environmental. 291, 120019 (2021).
  40. Xue, J. J., Ma, S. S., Zhou, Y. M., Zhang, Z. W., He, M. Facile photochemical synthesis of Au/Pt/g-C3N4 with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Applied Materials Interfaces. 7, 9630-9637 (2015).
  41. Ding, R., et al. Light-excited photoelectrons coupled with bio-photocatalysis enhanced the degradation efficiency of oxytetracycline. Water Research. 143, 589-598 (2018).
  42. Acosta-Herazoa, R., Ángel Mueses, M., Li Puma, G., Machuca-Martínez, F. Impact of photocatalyst optical properties on the efficiency of solar photocatalytic reactors rationalized by the concepts of initial rate of photon absorption (IRPA) dimensionless boundary layer of photon absorption and apparent optical thickness. Chemical Engineering Journal. 356, 839-884 (2019).
  43. Grčić, I., Li Puma, G. Six-flux absorption-scattering models for photocatalysis under wide-spectrum irradiation sources in annular and flat reactors using catalysts with different optical properties. Applied Catalysis B: Environmental. 211, 222-234 (2017).
  44. Diaz-Anguloa, J., et al. Enhancement of the oxidative removal of diclofenac and of the TiO2 rate of photon absorption in dye-sensitized solar pilot scale CPC photocatalytic reactors. Chemical Engineering Journal. 381, 12252 (2020).
  45. Meng, S. G., et al. Efficient photocatalytic H2 evolution, CO2 reduction and N2 fixation coupled with organic synthesis by cocatalyst and vacancies engineering. Applied Catalysis B: Environmental. 285, 119789 (2021).
  46. Yang, M., et al. Graphene aerogel-based NiAl-LDH/g-C3N4 with ultratight sheet-sheet heterojunction for excellent visible-light photocatalytic activity of CO2 reduction. Applied Catalysis B: Environmental. 306, 121065 (2022).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 188 פוטוקטליזה טיהור מים אנטיביוטיקה Ag3PO4 שיטות ניסוי
שיטה מלאה להערכת הביצועים של photocatalysts עבור השפלה של אנטיביוטיקה בתיקון סביבתי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, B., Zhang, X., Li, L., Ji, M., … More

Wang, B., Zhang, X., Li, L., Ji, M., Zheng, Z., Shi, C., Li, Z., Hao, H. A Complete Method for Evaluating the Performance of Photocatalysts for the Degradation of Antibiotics in Environmental Remediation. J. Vis. Exp. (188), e64478, doi:10.3791/64478 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter