מאמר שיטה

שיטה סינתטית נתיישב כדי להשיג Oxyiodide Microspheres ביסמוט פונקציונליים מאוד עבור תהליכי Photocatalytic מים Depuration

7.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/59006

⸱

29 במרץ 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Instituto de Investigación Multidisciplinario en Ciencia y Tecnología, Universidad de La Serena

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מתאר שיטה סינתטית כדי להשיג ביסמוט oxyiodide microspheres, אשר הם פונקציונליים מאוד כדי לבצע את ההסרה photocatalytic של מזהמים אורגניים, ציפרופלוקסאצין, במים תחת הקרנה אור UV-A/גלוי.

תקציר

ביסמוט oxyhalide (BiOI) הינו חומר מבטיח עבור photocatalysis הקבלה אור השמש-מונחה-סביבתי. בהתחשב בכך המבנה הפיזי של סוג זה של חומרים מאוד קשורה הביצועים photocatalytic שלו, יש צורך לתקנן את השיטות סינטטי על מנת לקבל את ארכיטקטורות הכי פונקציונלי, וכך את photocatalytic הגבוהה ביותר יעילות. כאן, אנו מדווחים נתיב אמין כדי להשיג BiOI microspheres דרך התהליך solvothermal, באמצעות Bi (3)3 ואשלגן יודיד (KI) סימנים מקדימים, וכן אתילן גליקול כתבנית. הסינתזה יתוקנן ב החיטוי 150 מ"ל, ב 126 מעלות צלזיוס במשך 18 h. התוצאה 2-3 microspheres mesoporous בגודל מיקרומטר, עם אזור משטח ספציפי רלוונטי (2מ' 61.3 /g). קיצור זמני התגובה בסינתזה תוצאות מבנים אמורפיים, בזמן שהטמפרטורות להוביל עלייה קלה ב- נקבוביות microspheres, עם אין שום השפעה של המופע photocatalytic. החומרים הינם צילום פעיל תחת הקרנה אור UV-A/גלוי לפירוק ציפרופלוקסאצין אנטיביוטיים במים. שיטה זו הוכיחה תהיה יעילה בבדיקות interlaboratory, קבלת microspheres BiOI דומים בקבוצות מחקר מקסיקני, צ'ילה.

מבוא

שפע של מוליכים למחצה יש להיות מסונתז עד כה, כיוון photocatalysts עם פעילות גבוהה תחת גלוי הקרנה אור, כדי לבזות את תרכובות אורגניות או כדי להפיק אנרגיה מתחדשת בצורה של מימן1,2. ביסמוט oxyhalides BiOX (X = קלרנית, Br או אני) הם מועמדים עבור יישומים כגון בגלל היעילות שלהם גבוהה photocatalytic תחת שמש בהיר או מדומה גלוי הקרנה3,4. האנרגיה הפער הלהקה (Eg) של ביסמוט oxyhalides יורדת עם העלייה של המספר האטומי של הליד; לפיכך, BiOI הוא החומר הצגת אנרגיית השפעול הנמוך (Eg = 1.8 eV)5. יודיד אטומים, בונדד דרך ואן דר Waals כוח אטומי ביסמוט, ליצור שדה חשמלי מיטיבה את ההעברה של נושאי המטען אל פני השטח מוליכים למחצה, מפעילה את תהליך photocatalytic4,6. יתר על כן, הארכיטקטורה של crystallite יש תפקיד קריטי separa, tion של נושאי המטען. אוריינטציה גבוהה מבנים בתוך המטוס (001) ומבנים תלת-ממד (כגון microspheres) להקל על ההפרדה נושאת מטען על הקרנה, הגדלת8,9 7,ביצועים photocatalytic , 10 , 11 , 12. לאור זאת, יש צורך לפתח שיטות סינתטי אמין כדי להשיג מבנים אשר להגביר את הפעילות-צילום של החומרים oxyhalide ביסמוט.

השיטה solvothermal הוא, ללא ספק, הנפוץ ביותר בשימוש ולמד את המסלול כדי להשיג BiOI microspheres13,14,15,16. כמה מתודולוגיות באמצעות נוזלים יוניים היה גם דיווח17, למרות בהוצאות הקשורות מתודולוגיות אלה יכול להיות גבוה יותר. ננו-ספירה מבנה מתקבלת בדרך כלל שימוש בממסים אורגניים כגון אתילן גליקול, אשר פועל כסוכן תיאום כדי ליצור alkoxides מתכתי, וכתוצאה מכך הדרגתי עצמית בהרכבת [Bi2O2]2 + מינים18 , 19. באמצעות המסלול solvothermal עם אתילן גליקול מקלה על היווצרות מורפולוגיות שונות על-ידי שינוי מפתח הפרמטרים התגובה, כגון טמפרטורה וזמן תגובה4,18. יש גוף רחב של ספרות על שיטה סינתטית BiOI microspheres, אשר מציג מידע מנוגדים כדי להשיג מבנים מאוד photoactive. פרוטוקול מפורט זה מכוונת מציג שיטה אמינה סינתטיים כדי להשיג BiOI microspheres מאוד פונקציונלי, השפלה photocatalytic של מזהמים במים. אנו מתכוונים לעזור לחוקרים חדש בהצלחה להשיג סוג זה של חומרים, הימנעות למלכודות הנפוצות ביותר הקשורות בתהליך סינתזה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: אנא קרא כל את בטיחות חומרים גליונות נתונים (MSDS) לפני השימוש את ריאקטיבים כימיים. בצע את כל פרוטוקול הבטיחות על-ידי לבישת חלוק מעבדה וכפפות. משקפיים UV הגנה בטיחות במהלך הבדיקות photocatalysis הקבלה. שימו לב כי ננו עשוי להציג אפקטים מסוכנים חשוב לעומת מבשרי שלהם.

1. הכנת microspheres BiOI

  1. עבור פתרון 1, להמיס 2.9104 גר' pentahydrate חנקתי ביסמוט (Bi (3)3∙5H2O) ב 60 מ של-אתילן גליקול בתוך זכוכית. פתרון 2, להמיס g 0.9960 של קי ב- 60 מ של-אתילן גליקול בתוך זכוכית.
    הערה: חשוב נמסים לחלוטין את מלחים אורגניים בתוך הממס האורגני; . זה עלול לקחת בסביבות 60 דק Sonication עשוי להיות מועיל להמיס בשני סימנים מקדימים.
  2. . Dropwise, להוסיף 2 פתרון פתרון 1 (בקצב הזרימה של 1 mL/min). השעיה צהבהב תשנה צבע פתרון 2 . לפעמים, כאשר פתרון 2 הוא לפתע הוסיף, צבע שחור עשויים להופיע, בשל היווצרות של המתחם4– BiI. במקרים כאלה, הסינתזה חייב להיות בוטלה והתחלתי שוב.
    הערה: חומר מעבדה יש לחלוטין לייבשם מאז המופע של מים מקדמת את משקעים בלתי מבוקרת של תחמוצת ביסמוט (Bi2O3).
  3. מערבבים את התערובת, תוך שימוש במהירות בינונית במשך 30 דקות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, העבר את התערובת כור אוטוקלב 150 מ. בזהירות מערבולת כשהספל להסיר את המתלה הנותר בקירות הצדדיים. . זה ניתן להוסיף 1-5 מ של אתילן גליקול לשטוף את בקבוקונים. הקפד לסגור בחוזקה את הכור.
    הערה: החיטוי צריך להיות מלא מ- 40% עד 80% מהקיבולת שלה על מנת להשיג את תנאי הלחץ האופטימלי היווצרות microspheres BiOI. כלב ים רך של הכור עלול לגרום לאובדן של לחץ, מקלקל את הסינתזה.
  4. לספק טיפול תרמי לכור תנור, מן בטמפרטורת החדר עד 126 ° C, באמצעות רמפה בטמפרטורה של 2 מעלות צלזיוס לדקה לשמור על הטמפרטורה הסופי עבור 18 h10. לאחר מכן, מגניב הכור אוטוקלב לטמפרטורת החדר.
    הערה: אין מחממים התנור או לספק חימום מהיר מאז זה יקלקל את היווצרות microspheres.
    התראה: אל תגרום / קירור ע י שטיפת החיטוי עם מים קרים, שכן היא עלולה לגרום להרכב של החיטוי. אל תנסו לפתוח את הכור בזמן זה עדיין חם, כמו זו עלולה לגרום במהדורה של יוד גז.

2. לשטוף את microspheres BiOI

  1. להפריד את החומר מוצק על-ידי שפייה, לשטוף אותו כדי להסיר ככל האפשר אתילן גליקול. הכנת מערכת סינון המורכב 0.8 μm מסנן נייר (כיתה 5, חינם של אפר) דבקה כראוי על הקירות של משפך זכוכית. להתחבר הבקבוק Erlenmeyer באמצעות פקק השעם פירסינג. לבצע את הצעד סינון על-ידי כוח הכבידה.
    1. (אופציונלי) כאשר מוזג את המתלים של הכור כדי המשפך, להשתמש במים יונים לשטוף את הכור אוטוקלב.
  2. לשטוף את המוצר מוצק נשמרים בנייר הסינון — של צבע כתום עז – מספר פעמים עם מזוקקים מים ואתנול מוחלטת (טכנית כיתה). לסירוגין את מרכך הכביסה עד leachate חסר צבע.
    הערה: שימו לב כי מים יונים מסיר יונים אנאורגניים, בעוד אתנול מוחלטת מסיר אתילן גליקול הנותרים; לכן, יש להשתמש בשני ממיסים.
  3. קח מים יונים שני השלבים כביסה האחרון כדי להסיר את עקבות של אתנול מוחלטת ויבשה המוצר אינטנסיבי-בצבע כתום ב 80 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה. בפעם האחרונה, לאחסן את החומר בבקבוקי זכוכית ענבר, במקום חשוך, רצוי desiccator.

3. אפיון microspheres BiOI

  1. לבצע ניתוח קרני רנטגן של החומר אבקת, באמצעות מקור אור monochromic Cu-Kα, עם λ = 1.5406, פעלו 30 kV ו-15 mA.
  2. לקבוע את פני השטח ספציפית על ידי שיטת מן המלון – אמט – טלר (ב'), דרך ספיחה של N2.
    1. Outgas את האבקה דגימות (500 מ ג)-80ºC בין לילה לפני ניתוח. לבצע את המדידות ספיחה של2 N ב- 75ºC. לחשב את פנים סגולי האחסון נקבובית מ איזוטרמות.
  3. לקבוע ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות UV הגלוי של החומרים באמצעות ספקטרופוטומטרים עם אביזר גמל.
    1. יבש הדגימות אבקת, בתנור מעבדה, ב- 105ºC בין לילה. . אז, בזהירות לשים 30 מ"ג בנמל הדגימה של האביזר גמל.
    2. להאיר את הדגימות אבקה עם מקור אור בטווח של 200 עד 800 ננומטר על מנת לקבל את ספקטרום הבליעה אור של החומר. לחשב את האנרגיה הפער הלהקה (למשל) באמצעות את ספקטרום הבליעה של המדגם.
  4. לקבוע את גודל המשני של microspheres BiOI על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים.
    1. שים המדגם אבקה על קלטת פחמן ואז ב- stub של מיקרוסקופ לביצוע התצפיות.
    2. לקבוע את ההרכב הכימי של הדגימות על ידי ניתוח ספקטרוסקופיה (EDS) רנטגן ואנליזת אנרגיה.

4. Photocatalytic פעילות מבחן

  1. עבור מבחן פתרון, להמיס 7.5 מ"ג של ציפרופלוקסאצין ב 250 מ של מים מזוקקים, כדי להשיג פתרון 30 דפים לדקה. לאחר מכן, להעביר את פתרון מבחן לכור photocatalytic זכוכית. מערבבים ביסודיות את הפתרון, עם פגים, שמירה על הטמפרטורה ב 25 º C. בועות אוויר אל הפתרון ב- 100 מ ל/דקה על מנת לשמור על אוויר רוויה.
  2. להוסיף 62.5 מ"ג של BiOI photocatalyst הפתרון הבדיקה כדי להשיג ריכוז של 0.25 g/ל' מיד, קח את המדגם הראשון (8 מ ל) בעזרת מזרק זכוכית. לאחר 30 דקות של בחישה בחושך, לקחת את הדוגמה השניה, להפעיל את מקור האור.
    1. בהתחשב בכך הניסויים מתבצעים בתנאי אור UV-A/גלוי, להשתמש מנורה W 70 בבדיקות photocatalysis הקבלה. לאתר את מקור האור 5 ס מ מעל photoreactor.
  3. לקחת דגימות נוזלים (8 מ ל) לאחר 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 ו- 300 דקות של הקרנה. לסנן את כל הדגימות מופנמים על ידי עובר דרך קרום ניילון מיקרומטר 0.22, אותם על מנת להסיר כל חלקיק מוצק לנוזל לפני ניתוח. לאחסן את הדגימות מסוננים צלוחיות זכוכית ענבר ב 4 ° C עד הניתוח.
  4. לקבוע את מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין על-ידי ניתוח ריכוז פחמן אורגני הכולל (TOC) הנותרים בדגימות הנוזל לאורך כל תהליך photocatalytic.
    1. מודדים את ריכוז פחמן הכולל (TC, ב- mg/L) באמצעות בעירה רטובים ב 720 ° C, בנוכחות אווירה זרז ואוויר Pt. בתנאים כאלה, כל פחמן מחומצן CO2 , לכמת ב גלאי FTIR מצמידים את המכשיר תוכן עניינים.
    2. לקבוע ריכוז פחמן אי-אורגנית (IC, ב- mg/L) באמצעות לחומצי דגימות עם HCl M 1, שמוביל ההמרה של קרבונט ו ביקרבונט CO2· H2O, אשר הוא לכמת ב- FTIR גלאי.
    3. לחשב את הריכוז של תוכן עניינים שנותרו דגימות מים באמצעות המשוואה הבאה.
      figure-protocol-1
      הערה: כדי למנוע הפרעות, וכך תוצאות שגויות, חשוב מאוד להסיר את עקבות של זיהומים אורגניים בניקיון ביסודיות את כל החומר זכוכית המשמש דוגמה. זה עשוי להיות מוצדקת ע י שטיפת מספר פעמים עם מים חמים.
    4. לחשב את התשואה מינרליזציה ויה דלדול של פחמן אורגני הכולל לאורך כל התגובה באמצעות המשוואה:
      figure-protocol-2
      כאן, תוכן ענייניםo הוא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בתחילת ההקרנות, בעוד תוכן העניינים נמצא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בכל זמן התגובה photocatalytic.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מזערים תלת-ממד של BiOI היו מסונתז בהצלחה על ידי השיטה המוצעת סינתטי. זה אושר ע י תמונות SEM באיור איור 1a–c. Microspheres נוצרות מתוך מבנים למינריות של [Bi2O2]2 +, אשר מודבקת על ידי יודיד שני אטומי1. היווצרות microspheres תלוי טמפרטורה, זמן של התהליך solvothermal, כפי פרמטרים אלה כלל התגבשויות של oxyhalide3,4

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

אנו רואים את התערובת של סימנים מקדימים כשלב קריטי בסינתזה solvothermal של microspheres BiOI. טפטוף איטי מאוד של הפתרון קי לתוך הפתרון3 Bi (3) (ב לכל היותר 1 mL/min) הוא קריטי להשיג mesoporous microspheres, שכן הוא מאפשר היווצרות איטי, הרכבה עצמית הלוחות+2 [Bi2O2] , ואחריו לקשר עם האטומים יודיד כדי ליצור את הלוגן BiOI. Lamellae הן הלבנים של microspheres שלב solvothermal (איור 1). טמפרטורה וזמן התגובה הם גורמי מפתח בסינתזה solvothermal כיו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

המחברים רוצה להודות Ciencia דה את לשכת התיירות העירונית, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México עבור המשאבים הניתנים לביצוע עבודה זו באמצעות הפרויקט ממומן SECITI/047/2016, וקרנות הלאומית מדעי ופיתוח טכנולוגי צ'ילה (FONDECYT 11170431).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ביסמוט (III) ניטראט פנטהידראטסיגמא אולדריץ'383074מגיב ACS, ≥ 98.0%
אשלגן יודידסיגמא אולדריץ'746428מגיב ACS, ≥ 98.0%
אתילן גליקולסיגמא אולדריץ'324558נטול מים, 99.8%
אתנולמאייר5405דרגה טכנית, 96%
ציפרופלוקסציןסיגמא אולדריץ'17850HPLC, ≥ 98.0%
Cary 5000 ספקטרופוטומטר UV-Vis-NIRAgilentמשמש לקביעת פער הלהקה על ידי מודל Tauc.
JSM-5600 מיקרוסקופ אלקטרונים סורקJOELמשמש לתמונות SEM.
Autosob-1Qantachromeמשמשים לקביעת שטח הפנים וקוטר הנקבוביות.
TOC-L מנתח פחמן אורגני כוללShimadzuמשמש לקביעת סך הפחמן האורגני בדגימות מים.
Bruker AXS D8 Advance - עקיפה של קרני רנטגןBrukerקביעת מבנה הגביש וגודל הגביש
מכשירי

מקורות

  1. 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).
  2. Wang, H., et al. Semiconductor heterojunction photocatalysts: Design, construction, and photocatalytic performances. Chemical Society Reviews. 43 (15), 5234-5244 (2014).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Meng, X., Zhang, Z. Bismuth-based photocatalytic semiconductors: Introduction, challenges and possible approaches. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 423, 533-549 (2016).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

entukanUV VisBand Gap

מאמרים קשורים