Summary
I denne artikel beskrives en syntetisk metode til at opnå bismuth oxyiodide mikrokugler, som er yderst funktionelt at udføre fotokatalytiske fjernelse af organiske forurenende stoffer, såsom ciprofloxacin, i vand under UV-A/synligt lys bestråling.
Abstract
Bismuth oxyhalide (BiOI) er en lovende materiale for sollys-drevet-miljømæssige fotokatalyse. I betragtning af at den fysiske struktur af denne slags materialer er stærkt relateret til dens fotokatalytiske ydeevne, er det nødvendigt at standardisere de syntetiske metoder for at opnå de mest funktionelle arkitekturer og dermed den højeste fotokatalytiske effektivitet. Her rapporterer vi en pålidelig rute til at opnå BiOI mikrokugler via solvothermal processen, med Bi (3)3 og kaliumiodid (KI) som forløbere, og ethylenglycol som en skabelon. Syntesen er standardiseret i et 150 mL autoklave, ved 126 ° C i 18 h. Dette resulterer i 2-3 µm mellemstore mesoporøse mikrokugler, med en relevante specifikke overfladeareal (61.3 m2/g). Afkortning reaktionstider i syntesen resulterer i amorfe strukturer, mens højere temperaturer føre til en svag stigning i porøsiteten af mikrokugler, med ingen effekt i fotokatalytiske ydeevne. Materialerne er foto-aktive under UV-A/synligt lys bestråling til nedbrydningen af de antibiotika ciprofloxacin i vand. Denne metode har vist for at være effektive i sammenlignende prøver, at få lignende BiOI mikrokugler i mexicanske og chilenske forskningsgrupper.
Introduction
En overflod af halvledere er blevet syntetiseret hidtil, satsning nemlig fotokatalysatorer med høj aktivitet under synligt lys bestråling, enten til at forringe organiske forbindelser eller til at generere vedvarende energi i form af brint1,2. Bismuth oxyhalides BiOX (X = Cl, Br, eller jeg) er kandidater til sådanne ansøgninger på grund af deres høje fotokatalytiske effektivitet under synligt lys eller simuleret sollys bestråling3,4. Band gap energi (Eg) af bismuth oxyhalides aftager med forhøjelsen af atomnummer af Halogenid; BiOI er således det materiale, der viser den laveste aktiveringsenergi (Eg = 1,8 eV)5. Iodid atomer, fæstnede via Van der Waals kraft at bismuth atomer, oprette et elektrisk felt, der favoriserer migration af afgift luftfartsselskaber til overfladen semiconductor udløser fotokatalytiske proces4,6. Arkitekturen i crystallite har endvidere en afgørende rolle i fordampes, tion afgift luftfartsselskaber. Stærkt orienteret strukturer i det (001) plan og 3D strukturer (såsom mikrokugler) lette afgift carrier adskillelse ved bestråling, øge fotokatalytiske ydeevne7,8,9 , 10 , 11 , 12. i lyset af dette, er det nødvendigt at udvikle pålidelige syntetiske metoder for at opnå strukturer, der fremmer foto-aktiviteten af bismuth oxyhalide materialer.
Metoden solvothermal er langt, de mest almindeligt anvendte og studerede rute til at opnå BiOI mikrokugler13,14,15,16. Nogle metoder, ved hjælp af Ioniske væsker har været også rapporteret17, selv om de omkostninger i forbindelse med disse metoder kan være højere. Microsphere struktur er normalt fremstillet ved hjælp af organiske opløsningsmidler som ethylenglycol, der fungerer som en koordinerende agent til at danne metallic alkoxiderne, hvilket resulterer i en gradvis selv at samle [Bi2O2]2 + arter18 , 19. ved hjælp af solvothermal ruten med ethylenglycol letter dannelsen af forskellige morfologier ved at ændre de vigtigste parametre i reaktionen, såsom temperatur og reaktionstid4,18. Der er en lang krop litteratur om syntetiske metoder til at opnå BiOI mikrokugler, som viser modstridende oplysninger til at opnå stærkt photoactive strukturer. Denne detaljerede protokollen tager sigte på viser en pålidelig syntetiske metode til at opnå BiOI mikrokugler yderst funktionelt i fotokatalytiske nedbrydningen af forurenende stoffer i vand. Vi agter at hjælpe nye forskere med succes hente denne slags materialer, undgå de mest almindelige faldgruber forbundet med processen, syntese.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk: Læs venligst alle de materielle sikkerhedsdatablade (MSDS) før de kemiske reagenser. Følg alle sikkerheds protokoller ved at bære en lab coat og handsker. Brug UV beskyttelse sikkerhedsbriller under prøverne, fotokatalyse. Være opmærksom på, at nanomaterialer kan præsentere vigtige farlige virkninger i forhold til deres prækursorer.
1. forberedelse af BiOI mikrokugler
- Løsning 1, opløses 2.9104 g af bismuth nitrat pentahydrat (Bi (3)3∙5H2O) i 60 mL af ethylenglycol i et glas bægerglas. Løsning 2, opløses 0.9960 g KI i 60 mL af ethylenglycol i et glas bægerglas.
Bemærk: Det er vigtigt at opløse de uorganiske salte i organiske opløsningsmidler; Det kan tage omkring 60 min. ultralydbehandling kan være nyttigt at opløse begge prækursorer. - Dråbevis, tilføje løsning 2 til løsning 1 (med en væskehastighed på ca. 1 mL/min.). Den farveløse løsning 2 vil ændre til en gullig suspension. Nogle gange, når løsning 2 er brat tilføjet, en sort farve kan vises, på grund af dannelsen af BiI4- kompleks. I sådanne tilfælde skal syntesen afbrudt og startet igen.
Bemærk: Laboratorium materiale skal helt tørret da forekomsten af vand fremmer ukontrolleret udfældning af bismuth oxid (Bi2O3). - Rør blandingen, ved hjælp af en moderat hastighed i 30 min. ved stuetemperatur. Derefter, overføre blandingen til en 150 mL autoklave reaktor. Omhyggeligt swirl i bægerglasset for at fjerne de resterende suspension fra dæksider. Det er muligt at tilføje 1 til 5 mL af ethylenglycol at skylle bægre. Sørg for at stramt lukke reaktoren.
Bemærk: Autoklaven bør udfyldes fra 40% til 80% af sin kapacitet for at opnå de optimale trykforholdene til dannelsen af BiOI mikrokugler. En blød forsegling af reaktoren kan resultere i tab af pres, fordærves syntesen. - Levere termisk behandling til reaktoren i en ovn, fra stuetemperatur til 126 ° C, ved hjælp af en temperatur rampe på 2 ° C/min. opretholde den endelige temperatur for 18 h10. Afkøles autoklave reaktoren til stuetemperatur.
Bemærk: Forvarm ovnen eller giver en hurtig varme, da det vil ødelægge dannelsen af mikrokugler ikke.
Forsigtig: Fremkald ikke køling ved at vaske autoklave med koldt vand, da det kan medføre deformering af autoklave. Forsøg ikke at åbne reaktoren, mens det stadig er varm, da dette kan resultere i udgivelsen af jod gas.
2. vask BiOI mikrokugler
- Adskille de solidt materiale ved dekantering og vaske det for at fjerne ethylenglycol så meget som muligt. Forberede et filtreringssystem, bestående af en 0,8 μm filtrerpapir (Grade 5, fri af aske) korrekt overholdt væggene i et glas tragt. Oprette forbindelse til en Erlenmeyer-kolbe, ved hjælp af en gennemboret korkprop. Udføre trinnet filtrering af tyngdekraften.
- (Valgfrit) Når hælde suspension fra reaktoren til tragten, bruge deioniseret vand til at skylle autoklave reaktor.
- Vaske solid produktet opbevares i filtrerpapir — af en intens orange farve — flere gange med destilleret vand og absolut ethanol (tekniske grade). Suppleant vask opløsningsmiddel, indtil perkolatet er farveløs.
Bemærk: Vær opmærksom på at deioniseret vand fjerner uorganiske ioner, mens absolut ethanol fjerner de resterende ethylenglycol; således skal begge opløsningsmidler bruges. - Bruge deioniseret vand i de to sidste vask skridt til at fjerne ethvert spor af absolut ethanol og tørre intens-orange-farvet produkt ved 80 ° C i 24 timer. Sidst, gemme materialet i ravfarvet glasflasker i mørke, helst i en ekssikkator.
3. karakterisering af BiOI mikrokugler
- Udføre røntgen diffraktion analyse af pulver materiale, ved hjælp af en monochromic Cu-Kα lyskilde, med λ = 1.5406 Å, drives på 30 kV og 15 mA.
- Bestemme den specifikke overfladeareal af metoden Brunauer-Emmett-Teller (BET) via adsorption af N2.
- Outgas pulver prøver (500 mg) på 80ºC natten over før analysen. Udføre N2 adsorption målinger på - 75ºC. Beregning af den specifikke overfladeareal og porevolumen fra adsorptionsisotermerne.
- Bestemme de UV-synlige diffuse reflektionsgrad spektre af materialer ved hjælp af et spektrofotometer med en knælere tilbehør.
- Tørre pulver-prøver i et laboratorium ovn ved 105ºC natten over. Derefter forsigtigt sætte 30 mg i prøven port af knælere tilbehør.
- Bestråle pulver prøver med en lyskilde inden for 200-800 nm for at opnå det lysspektrum absorption af materialet. Beregne band gap energi (Eg) ved hjælp af absorptionsspektrum af prøven.
- Bestemme sekundære størrelsen af BiOI Mikrokugler af scanning Elektron Mikroskopi.
- Sætte eksemplet pulver på en carbon bånd og derefter i mikroskop stub til at udføre observationerne.
- Bestemme den kemiske sammensætning af prøverne af energy dispersive X-ray spektroskopi (EDS) analyse.
4. fotokatalytiske aktivitet test
- For at teste løsningen, opløses 7,5 mg ciprofloxacin i 250 mL destilleret vand, at opnå en 30 ppm løsning. Derefter, overføre analyseopløsningen til glas fotokatalytiske reaktor. Opløsningen, grundigt omrøres med en magnetomrører, at holde en temperatur på 25 ° C. Boble luft til løsningen på 100 mL/min for at opretholde luft mætning.
- Tilføje 62,5 mg af BiOI photocatalyst til test løsning til at opnå en koncentration af 0,25 g/L. straks, tage den første prøve (8 mL) ved hjælp af et glas sprøjte. Efter 30 min for omrøring i mørke, tage den anden prøve og tænde lyskilden.
- I betragtning af at forsøgene er udført under UV-A/synlige lysforhold, bruge en 70 W lampe i fotokatalyse tests. Find lyskilde 5 cm over photoreactor.
- Tage flydende prøver (8 mL) efter 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 og 300 min af bestråling. Filtrere alle de udtages prøver af passerer dem gennem et 0,22 µm nylon membran, for at fjerne enhver fast partikel fra væske inden analyse. Gemme de filtrerede prøver i rav hætteglas ved 4 ° C indtil analyse.
- Bestemme mineralisering af ciprofloxacin ved at analysere den total organiske kulstof (TOC) koncentration tilbage i de flydende prøver hele fotokatalytiske proces.
- Mål koncentrationen af samlede kulstof (TC, i mg/L) via våde forbrænding på 720 ° C, i overværelse af en Pt katalysator og luft atmosfære. Under sådanne betingelser, er alle kulstof oxideres til CO2 og kvantificeres i en FTIR detektor koblet til TOC-enhed.
- Bestemme den uorganiske CO2 koncentration (IC, i mg/L) via forsuring af prøver med 1 M HCl, fører til konvertering af karbonat og bikarbonat til CO2· H2O, som er kvantificeret i FTIR detektor.
- Beregne koncentrationen af TOC tilbage i vandprøver ved følgende ligning.
Bemærk: For at undgå interferens og dermed forkerte resultater, det er meget vigtigt at fjerne alle spor af organiske urenheder ved grundigt rengøring alle glas-materialet i forberedelsen af prøver. Dette kan være berettiget ved at vaske flere gange med varmt vand. - Beregne mineralisering udbytte via nedbrydningen af total organisk kulstof i hele reaktion ved hjælp af ligningen:
Her, er TOCo koncentrationen af total organisk kulstof i begyndelsen af bestrålingen, mens TOC er koncentrationen af total organisk kulstof på ethvert tidspunkt af fotokatalytiske reaktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
3D mikrostrukturer af BiOI blev med succes syntetiseret af den foreslåede syntetiske metode. Dette blev bekræftet af SEM billeder vist i figur 1a-c. Mikrokugler dannes fra laminar strukturer af [Bi2O2]2 +, som er bundet af to Iodid atomer1. Dannelsen af mikrokugler afhænger af temperatur og tid af proceduren for solvothermal, som disse parametre udelukke krystalliseringen af oxyhalide3,4,5,6. [Bi2O2] 2 + plader begynder at interagere med Iodid atomer til at danne laminar strukturer, når temperaturen i solvothermal tilgangen går over 120 ° C1. Derefter, ved højere temperatur og/eller længere reaktionstid lamellae er tilfældigt arrangeret at bygge mikrokugler1,2,3,4,5,6 ,7,8. Når en temperatur på 130 ° C blev leveret til 12 h, amorfe strukturer blev observeret (figur 1a), og Iodid var ikke helt ligestillet på atomare gitter, resulterer i dannelsen af Bi5O7materiale. Derefter, når termisk behandling var 126 ° C til 18 h, perfekt formede sfæriske strukturer blev indhentet (figur 1b). Mesoporøse Mikrokugler af BiOI blev også opnås, når en solvothermal behandling blev udført ved 160 ° C i 18 h (figur 1 c). Baseret på SEM analyse, blev den gennemsnitlige diameter af strukturer fundet i området fra 2 til 3 µm.
Analyse af røntgen diffraktion angivet prævalens tetragonal krystallinske fase (tabel 1), med en høj exposition (110) og (012) fly, ifølge JCPDS card 73-2062. Som mikrokugler blev dannet, orientering af crystallite faldet skyldes den samlesæt af BiOI plader i 3D strukturer, er som almindeligt observeret i tidligere værker1,2,3,15 , 16 , 17. figur 2 sammenlignes røntgen diffraktion (XRD) mønstre af BiOI mikrokugler fremstillet på 126 ° C og 160 ° C med XRD mønster af en 0 D BiOI materiale. Fra disse oplysninger, er det muligt at konkludere, at krystalliseringen af BiOI materiale starter ved temperaturer over 100 ° C, og derefter, [Bi2O2]+ plader tilfældigt arrangere at danne BiOI mikrokugler med ingen orientering af de krystallinske fase.
Den specifikke overfladeareal af mikrokugler (61.28 m2/g) var nok så lig, rapporteres til andre halvledere typisk ansat i fotokatalyse, såsom TiO2 (tabel 1). En bred specifikke overfladeareal kan være gavnlig i fotokatalytiske proces, eftersom et højere antal organiske molekyler kan være adsorberet på halvleder overfladen til at reagere med reaktive ilt arter (ROS) produceret af afgift luftfartsselskaber (f.eks. •OH, • O2-, og H2O2).
Den specifikke overflade område og pore volumen øges med temperaturen og reaktionstid i solvothermal behandling, fra 9.61 m2/g i den amorfe fase til 61.28 m2/g når 126 ° C og 18 h blev brugt. Ingen væsentlige forskelle i den specifikke overfladeareal blev ikke fundet når mikrokugler syntetiseret på 126 og 160 ° C blev sammenlignet; således blev 126 ° C i 18 h sat som de optimale betingelser for syntese. Type IV isotermerne blev indhentet i BET analyse (figur 3), der angiver, BiOI mikrokugler mesoporøse materialer. Den optiske karakterisering af mikrokugler afsløre deres evne til at være photoactive under synligt lys bestråling, som bemærket af band gap værdien viste i tabel 1.
En kemiske karakterisering af materialer blev udført af en kompositorisk analyse via EDS. Sammensætningen af BiOI materialer, der holdt en Støkiometrisk forhold blev opretholdt når solvothermal syntese blev gennemført ved en lav temperatur (tabel 2). På den anden side, når temperaturen i solvothermal syntesen øges, faldt Iodid-loading. Dette kan tilskrives medtagelsen af Halogenid atomer i halvleder gitter, hvilket resulterer i en lavere mængde af Halogenid atomer på overfladen. Når opløsningsmidlet i ruten solvothermal blev ændret til vand, assimilering af Iodid faldt betydeligt for at opnå Bi5O7jeg.
Fotokatalytiske aktivitet af mikrokugler syntetiseret på 126 ° C og 18 h blev vurderet efter mineralisering af de antibiotika ciprofloxacin i rent vand, under UV-A/synligt lys bestråling. Som det kan ses i figur 4, kunne mikrokugler mineralize det antibiotiske stof i vand via fotokatalytiske proces. Det er klart, hvordan fotolyse var ude af stand til helt oxidere organisk molekyle til CO2 (figur 4, blå), mens mineralisering kan opnås på forskellige niveauer, ved hjælp af BiOI som en photocatalyst. Disse resultater viser photoactivity af de syntetiserede materialer til helt oxidere komplekse organiske molekyler, såsom ciprofloxacin. Blev foretaget en sammenligning af mineralisering sats ved hjælp af BiOI vaskes med ethanol og vand (som anført i protokollen) og andre microsphere materialer, der blev vasket kun med vand (fig. 4, rød og sort). Det blev observeret, hvordan ufuldstændigt vasket materialet var i stand til at frigive organisk kulstof til den løsning, at blande sig med TOC målinger i vandprøver, og mineralisering proces.
Frigivelsen af organisk kulstof fra photocatalyst blev observeret i den første fase af fotokatalyse assays når omrøring i mørke blev leveret. Figur 5 viser adsorption af ciprofloxacin på overfladen af BiOI mikrokugler vaskede kun med vand og disse blev behandlet med ethanol/vandblanding. Mikrokugler vaskes med ethanol/vandblanding viste nogle adsorption af det organiske molekyle, mens frigivelsen af organisk kulstof blev opdaget for materialet vaskes kun med vand. Dette kan forklares ved ufuldstændig rengøring af adsorption websteder på BiOI materialet vaskes med vand, hvilket på den ene side i udgivelsen af ethylenglycol og på anden side i den lavere adsorption af ciprofloxacin, med den deraf følgende fald i fotokatalytiske aktivitet.
Figur 1: SEM billeder af materialerne. Fremstillet på (en) 130 ° C i 12 timer, (b) 126 ° C til 18 h, og (c) 160 ° C i 18 h. Til venstre vises billeder i lav opløsning, mens zoomet i billeder leveres på højre side. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: røntgen diffraktion mønstre. (En) 0 D BiOI (001)-orienteret materiale, (b) BiOI mikrokugler syntetiseret på 126 ° C til 18 h, og (c) BiOI mikrokugler syntetiseret ved 160 ° C i 18 h. Det er vist tab af orienteringen af krystallerne, når mikrokugler blev indhentet. Diffraktion mønstre er sammenlignet med JCPDS referencekort 73-2062. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: N2 adsorptionsisotermer bismuth oxyhalide microsphere materialer syntetiseret på 126 og 160 ° C og sammenlignet med 0 D BiOI, orienteret i den (001) facetten. Type IV isotermerne, der beskriver mesoporøse materialer, er vist i grafikken. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: mineralisering sats af ciprofloxacin i fotolyse og fotokatalyse test ved hjælp af BiOI mikrokugler fremstillet med og uden vask trin ved hjælp af ethanol-vand blanding. Den eksperimentelle fejl er givet ved standardafvigelsen barer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Total organisk kulstof (TOC) koncentrationen i vandprøver i begyndelsen af forsøgene og efter 30 min for omrøring i mørke. Den eksperimentelle fejl er givet ved standardafvigelsen barer. Bestemmelse af indholdsfortegnelsen blev udført i en stikprøve af analyseopløsningen efter denne løsning havde været i kontakt med BiOI mikrokugler under omrøring i 30 min. i mørke. På y-aksen refererer TOCB til organisk kulstof i analyseopløsningen, mens TOCL repræsenterer indhold af organisk kulstof efter 30 min for omrøring i mørke, lige før lyskilden tændes. Grafen viser hvordan materialet vaskes med ethanol og vand (vaskede) præsenterer en positiv adsorption organiske kulstof fra løsning, mens materialet vaskes kun med vand (ikke vaskes) udtrykte en negativ adsorption, hvilket betyder, at frigivelsen af organisk kulstof i løsningen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| PARAMETER | VÆRDI |
| krystallinsk struktur | Tetragonal |
| Crystallite størrelse (nm) | 4.12 |
| BET område (m2/g) | 61.28 |
| pore diameter (nm) | 17,7 |
| Fx (eV) | 1,94 |
Tabel 1: Karakterisering af BiOI mikrokugler syntetiseret af den foreslåede metode.
| Bi (på. %) | O (på. %) | Jeg (på. %) | |
| BiOI | 33.65 ± 0,86 | 33.59 ± 0,54 | 32.76 ± 0,58 |
| Bi5O7jeg | 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 |
Tabel 2: Kemiske sammensætning af BiOI materialer bestemmes af EDS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi anser den kritiske trin i solvothermal syntese af BiOI mikrokugler blandingen af prækursorer. En meget langsom dryppende af KI løsning oploesningen Bi (3)3 (højst 1 mL/min) er afgørende for at opnå mesoporøse mikrokugler, da det giver mulighed for den langsomme dannelse og samlesæt af [Bi2O2]+ 2 plader , efterfulgt af limning med Iodid atomer til at danne BiOI laminater. Lamellae er mursten af mikrokugler taktfast solvothermal (figur 1). Temperatur og reaktionstid er de vigtigste faktorer i solvothermal syntese, da høje temperaturer i første omgang tillader krystalliseringen af [Bi2O2]+ plader og derefter, arrangement af disse plader til at skabe mikrokugler 1 , 3. mesoporøse mikrokugler blev indhentet når temperaturen blev opretholdt over 120 ° C, mens 3D strukturer var ufuldstændigt dannet da reaktionstiden var under 18 h. Ligeledes var assimilering af Iodid ufuldstændige ved en lavere temperatur og kortere reaktionstid, resulterer i Iodid mangelfuld materialer som Bi4O52 (gul-farvet).
Korrekt vask af BiOI materialer skal udføres for at opnå funktionelle fotokatalysatorer da ethylenglycol kan sejre på den materielle overflade, når den er kun vasket med vand (selv med varmt vand). Resterne af ethylenglycol kan frigives i løsningen, før fotokatalytiske tests er startet, hæmmer nedbrydningen og mineralisering af ciprofloxacin, når lyskilden tændes. Det er vigtigt at huske, at alkoholer er i stand til at hæve kulstofindhold målt ved TOC analyse uforholdsmæssigt. Derfor er det meget vigtigt at vaske materialerne skiftevis med ethanol og vand. Når koncentrationen af organisk kulstof i vand stiger gennem fotokatalytiske proces, kan det løses ved genanvendelse af materialet og vask det med ethanol og varmt vand.
Den foreslåede metode kan ændres størrelsesmæssigt autoklave. Her, vi rapportering syntese med en 150 mL Parr reaktor; men synteser ved hjælp af en større reaktionskammeret kan udføres. Baseret på vores erfaringer, kan 250 mL Parr reaktorer bruges i syntesen, hvilket resulterer i en mindre forøgelse af den specifikke overfladeareal af mikrokugler. Denne ændring har imidlertid ingen indvirkning på de fotokatalytiske egenskaber af materialet. Det er vigtigt at overveje at opskalere metode til højere mængder-den højeste volumen af solvothermal reaktorer på markedet er 2.000 mL-kræver yderligere eksperimenter.
Begrænsninger af den foreslåede metode ligger i lavt potentiale optrapning til højere lydstyrker, eftersom større reaktorer findes næppe på markedet. Også, som nævnt ovenfor, tab af ethylenglycol kan forekomme når autoklave reaktor ikke er tæt tillukket. Være opmærksom på eventuelle udvaskning af organisk opløsningsmiddel i hele syntese proces for at undgå at ødelægge produktet; nogle autoklave reaktorer er udstyret med et manometer til at gøre opgaven lettere. I tilfælde af lækage, kan autoklaven lukkes med tilstrækkelig sikkerhedsudstyr, forebyggelse af afkøling af reaktoren. Når problemet er løst inden for de første 2 h af syntesen, kan mikrokugler med acceptabel fotokatalytiske aktivitet stadig fås.
Mikrokugler dannes knap, når andre organiske opløsningsmidler (glycerol, methanol, ethanol) der bruges, mens du bruger vand resultater i den laveste assimilation af Iodid, hvilket fører til dannelsen af Bi5O7(hvid-farvet) materiale. En yderligere stigning i reaktion temperatur (over 180 ° C) kan resultere i den kemisk reduktion af bismuth til metallisk bismuth, der kan lettes ved ethylenglycol som en reduktiv befuldmægtiget.
Hidtil, er der et par alternative metoder rapportering syntesen af BiOI mikrokugler. For eksempel, udført Montoya-Zamora et al.20 nedbør med EDTA, der resulterer i uregelmæssig mikrokugler med en lav satsområde. På den anden side var forskning af He et al.21 rettet mod den mekaniske syntese af BiOI mikrokugler ved stuetemperatur, at opnå orienteret krystaller med en lavere BET areal end der er konstateret i denne undersøgelse. Den syntetiske metode, der foreslås i dette arbejde er i øjeblikket bruges til at syntetisere andre bismuth oxyhalides, som BiOCl22 og BiOBr23, der har vist sig for at være effektiv i fotokatalytiske fjernelse af organiske miljøgifte i vand og ingenx i luften20samt i udviklingen af brint19. Den seneste forskning har til formål at bruge bismuth oxyhalides i reduktion af CO2 molekyle til at producere brint og lette kulbrinter (kunstig fotosyntese)24. Overvejer at syntese af metoden solvothermal er blevet med held udført med reproducerbare resultater i to forskellige lande (Mexico og Chile), forventes denne metode kan skaleres og dens anvendelse i rensningsanlæg, forbedret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México for ressourcerne, der leveres til at udføre dette arbejde gennem det finansierede projekt SECITI/047/2016, og de nationale fonde for videnskabelig og teknologiudvikling 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
- Yu, C., Zhou, W., Liu, H., Liu, Y., Dionysiou, D. D. Design and fabrication of microsphere photocatalysts for environmental purification and energy conversion. Chemical Engineering Journal. 287, 117-129 (2016).
- Wang, H., et al. Semiconductor heterojunction photocatalysts: Design, construction, and photocatalytic performances. Chemical Society Reviews. 43 (15), 5234-5244 (2014).
- Chou, S. Y., Chen, C. C., Dai, Y. M., Lin, J. H., Lee, W. W. Novel synthesis of bismuth oxyiodide/graphitic carbon nitride nanocomposites with enhanced visible-light photocatalytic activity. RSC Advances. 6, 33478-33491 (2016).
- Siao, C. W., et al. Controlled hydrothermal synthesis of bismuth oxychloride/bismuth oxybromide/bismuth oxyiodide composites exhibiting visible-light photocatalytic degradation of 2-hydroxybenzoic acid and crystal violet. Journal of Colloid and Interface Science. 526, 322-336 (2018).
- Meng, X., Zhang, Z. Bismuth-based photocatalytic semiconductors: Introduction, challenges and possible approaches. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 423, 533-549 (2016).
- Wang, Y., Deng, K., Zhang, L. Visible light photocatalysis of BiOI and its photocatalytic activity enhancement by in situ ionic liquid modification. Journal of Physical Chemistry C. 115 (29), 14300-14308 (2011).
- Xiao, X., Zhang, W. De Facile synthesis of nanostructured BiOI microspheres with high visible light-induced photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry. 20 (28), 5866-5870 (2010).
- Chen, C. C., et al. Bismuth oxyfluoride/bismuth oxyiodide nanocomposites enhance visible-light-driven photocatalytic activity. Journal of Colloid and Interface Science. 532, 375-386 (2018).
- Xia, J., et al. Self-assembly and enhanced photocatalytic properties of BiOI hollow microspheres via a reactable ionic liquid. Langmuir. 27 (3), 1200-1206 (2011).
- Mera, A. C., Contreras, D., Escalona, N., Mansilla, H. D. BiOI microspheres for photocatalytic degradation of gallic acid. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 318, 71-76 (2016).
- Pan, M., Zhang, H., Gao, G., Liu, L., Chen, W. Facet-dependent catalytic activity of nanosheet-assembled bismuth oxyiodide microspheres in degradation of bisphenol A. Environmental Science and Technology. 49 (10), 6240-6248 (2015).
- Hu, J., et al. Solvents mediated-synthesis of BiOI photocatalysts with tunable morphologies and their visible-light driven photocatalytic performances in removing of arsenic from water. Journal of Hazardous Materials. 264, 293-302 (2014).
- Ye, L., Su, Y., Jin, X., Xie, H., Zhang, C. Recent advances in BiOX (X = Cl, Br and I) photocatalysts: Synthesis, modification, facet effects and mechanisms. Environmental Science: Nano. 1 (2), 90-112 (2014).
- Qin, X., et al. Three dimensional BiOX (X=Cl, Br and I) hierarchical architectures: Facile ionic liquid-assisted solvothermal synthesis and photocatalysis towards organic dye degradation. Materials Letters. 100, 285-288 (2013).
- Chou, S. Y., et al. A series of BiO x I y/GO photocatalysts: synthesis, characterization, activity, and mechanism. RSC Advances. 6 (86), 82743-82758 (2016).
- Shi, X., Chen, X., Chen, X., Zhou, S., Lou, S. Solvothermal synthesis of BiOI hierarchical spheres with homogeneous sizes and their high photocatalytic performance. Materials Letters. 68, 296-299 (2012).
- Di, J., et al. Reactable ionic liquid-assisted rapid synthesis of BiOI hollow microspheres at room temperature with enhanced photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry A. 2 (38), 15864-15874 (2014).
- Ren, K., et al. Controllable synthesis of hollow/flower-like BiOI microspheres and highly efficient adsorption and photocatalytic activity. CrystEngComm. 14 (13), 4384-4390 (2012).
- Lei, Y., et al. Room temperature, template-free synthesis of BiOI hierarchical structures: Visible-light photocatalytic and electrochemical hydrogen storage properties. Dalton Transactions. 39 (13), 3273-3278 (2010).
- Montoya-Zamora, J. M., Martínez-de la Cruz, A., López Cuéllar, E. Enhanced photocatalytic activity of BiOI synthesized in presence of EDTA. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 75, 307-316 (2017).
- He, R., Zhang, J., Yu, J., Cao, S. Room-temperature synthesis of BiOI with tailorable (0 0 1) facets and enhanced photocatalytic activity. Journal of Colloid and Interface Science. 478, 201-208 (2016).
- Song, J. M., Mao, C. J., Niu, H. L., Shen, Y. H., Zhang, S. Y. Hierarchical structured bismuth oxychlorides: self-assembly from nanoplates to nanoflowers via a solvothermal route and their photocatalytic properties. CrystEngComm. 12, 3875-3881 (2010).
- Mera, A. C., Váldes, H., Jamett, F. J., Meléndrez, M. F. BiOBr microspheres for photocatalytic degradation of an anionic dye. Solid State Science. 65, 15-21 (2017).
- Kong, X. Y., Lee, W. C., Ong, W. J., Chai, S. P., Mohamed, A. R. Oxygen-deficient BiOBr as a highly stable photocatalyst for efficient CO2 reduction into renewable carbon-neutral fuels. ChemCatChem. 8, 3074-3081 (2016).
