Dit artikel beschrijft een synthetische methode voor het verkrijgen van bismut oxyiodide microsferen, die zijn zeer functioneel uit te voeren van de fotokatalytische verwijdering van organische verontreinigende stoffen, zoals ciprofloxacine, in water onder de UV-A/zichtbaar licht bestraling.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een Facile synthetische methode voor het verkrijgen van bismut Oxyiodide microsferen hoogfunktionele voor de fotokatalytische processen van Water gedurende de depuratiefase
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Bismut oxyhalide (BiOI) is een veelbelovende materiaal voor zonlicht-gedreven-milieu Fotokatalyse. Gezien het feit dat de fysieke structuur van dit soort materialen is sterk gerelateerd aan de fotokatalytische prestaties, is het noodzakelijk te standaardiseren van de synthetische methoden om te verkrijgen van de meest functionele architecturen en daarmee de hoogste fotokatalytische efficiëntie. Hier, rapporteren we een betrouwbare route te verkrijgen BiOI microsferen via het solvothermal-proces, met behulp van Bi (3)3 en kaliumjodide (KI) als precursoren en ethyleen glycol als een sjabloon. De synthese is gestandaardiseerd in een autoclaaf 150 mL, bij 126 ° C gedurende 18 h. Dit resulteert in 2-3 µm en middelgrote mesoporous microsferen, met een relevante specifieke oppervlakte (61.3 m2/g). Verkorting van de reactietijden bij de synthese resulteert in amorfe structuren, terwijl de hogere temperaturen leiden tot een lichte stijging in de poreusheid van de microsferen, met geen effect in de fotokatalytische prestaties. De materialen zijn foto-actieve onder UV-A/zichtbaar licht bestraling voor de afbraak van de antibiotica ciprofloxacine in water. Deze methode heeft aangetoond effectief in interlaboratory proeven, verkrijgen van soortgelijke BiOI microbolletjes in Mexicaanse en Chileense onderzoeksgroepen.
Inleiding
Een overvloed van halfgeleiders heeft tot nu toe al gesynthetiseerd streven naar photocatalysts met hoge activiteit onder zichtbaar licht bestraling, te degraderen van organische stoffen of voor het genereren van hernieuwbare energie in de vorm van waterstof1,2. Bismut oxyhalides BiOX (X = Cl, Br, of ik) kandidaten voor dergelijke toepassingen zijn vanwege hun hoge fotokatalytische efficiëntie onder zichtbaar licht of gesimuleerd zonlicht bestraling3,4. De band gap energie (Eg) van bismut oxyhalides vermindert met de toename van het atoomnummer van het halogenide; BiOI is dus het materiaal weer te geven van de laagste activeringsenergie (Eg = 1,8 eV)5. Jodide atomen, gebonden via Van der Waals force aan bismut atomen, maak een elektrisch veld dat de gunsten van de migratie van de dragers van de lading aan de oppervlakte van de halfgeleider, triggering de fotokatalytische proces4,6. Bovendien is de architectuur van de crystallite een cruciale rol in de separa, tion lading dragers. Zeer georiënteerde structuren in het vliegtuig (001) en 3D (zoals microbolletjes) vergemakkelijken de lading vervoerder scheiding na bestraling, verhoging van de fotokatalytische prestaties7,8,9 , 10 , 11 , 12. in het licht hiervan, er moeten betrouwbare synthetische methoden verkrijgen van structuren die het stimuleren van de foto-activiteit van het bismut oxyhalide materialen te ontwikkelen.
De solvothermal methode is veruit het meest gebruikt en studeerde route naar het verkrijgen van BiOI microsferen13,14,15,16. Sommige methoden met behulp van ionische vloeistoffen zijn ook gemeld17, hoewel de kosten in verband met deze methodologieën hoger kunnen zijn. Structuur van de microsfeer, wordt meestal opgehaald met behulp van organische oplosmiddelen zoals ethyleen glycol, die als een coördinerende agent om te vormen van de metalen alkoxides fungeert, resulterend in een geleidelijke zelf montage van [Bi2O2]2 + soorten18 , 19. met behulp van de solvothermal-route met ethyleenglycol vergemakkelijkt de vorming van verschillende morphologies door de belangrijkste parameters in de reactie, zoals temperatuur en reactietijd4,18te wijzigen. Er is een breed orgaan van literatuur over synthetische methoden om te verkrijgen BiOI microsferen, waaruit contrasterende informatie blijkt om zeer photoactive structuren. Dit gedetailleerde protocol is gericht op het tonen van een betrouwbare synthetische werkwijze te halen BiOI microsferen hoogfunktionele in de fotokatalytische afbraak van verontreinigende stoffen in water. Wij willen helpen nieuwe onderzoekers met succes het verkrijgen van dit soort materialen, het vermijden van de meest voorkomende valkuilen verbonden aan het proces van synthese.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Opmerking: Lees alle de veiligheidsinformatiebladen (VIB) voordat u de chemische reagentia. Volg alle protocollen van de veiligheid door een laboratoriumjas en handschoenen te dragen. UV bescherming veiligheidsbril dragen tijdens de fotokatalyse-tests. Wees ervan bewust dat nanomaterialen belangrijk gevaarlijke effecten in vergelijking met hun voorlopers kan opleveren.
1. bereiding van de microsferen BiOI
- Los 2.9104 g bismut nitraat pentahydraat (Bi (3)3∙5H2O) in 60 mL ethyleenglycol in een bekerglas van glas voor oplossing 1. Los 0.9960 g KI in 60 mL ethyleenglycol in een bekerglas van glas voor oplossing 2.
Opmerking: Het is belangrijk dat volledig los van de anorganische zouten in organisch oplosmiddel; het duurt ongeveer 60 min. ultrasoonapparaat nuttig kan zijn voor beide precursoren te ontbinden. - Ontkleuring, wil oplossing 2 oplossing 1 (bij een stroomsnelheid van ongeveer 1 mL/min). De kleurloze oplossing 2 zal veranderen in een gelige schorsing. Soms, wanneer oplossing 2 is abrupt toegevoegd, een zwarte kleur lijken, als gevolg van de vorming van het BiI4- -complex. In dergelijke gevallen moet de synthese worden afgebroken en opnieuw gestart.
Opmerking: Laboratorium materiaal moet worden volledig gedroogd aangezien het vóórkomen van water de ongecontroleerde neerslag van bismut oxide (Bi2O3 bevordert). - Roer het mengsel, met behulp van een matige snelheid gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Breng het mengsel aan een 150 mL autoclaaf reactor. Zorgvuldig swirl het bekerglas om te verwijderen van de resterende opschorting van de zijwanden. Het is mogelijk om toe te voegen van 1 tot en met 5 mL van ethyleenglycol te spoelen van de bekers. Zorg ervoor dat strak de reactor.
Opmerking: De autoclaaf moet van 40% tot 80% van zijn capaciteit met het oog op de optimale druk voorwaarden tot de vorming van de BiOI-microsferen worden gevuld. Een zachte afdichting van de reactor kan leiden tot het verlies van druk, verwennen de synthese. - Leveren van thermische behandeling van de reactor in een oven, van kamertemperatuur tot 126 ° C, met behulp van de helling van een temperatuur van 2 ° C/min. het handhaven van de eindtemperatuur voor 18 h10. Vervolgens koelen de autoclaaf reactor tot kamertemperatuur.
Opmerking: Verwarm de oven niet of bieden een snelle Verwarming, omdat het de vorming van de microsferen zal bederven.
Let op: Geen veroorzaken koeling door het wassen van de autoclaaf met koud water, omdat het leiden de vervorming van de autoclaaf tot kan. Probeer niet om te openen de reactor, terwijl het nog heet is, aangezien dit in de release van jodium gas resulteren kan.
2. wassen de microsferen BiOI
- Scheiden van het solide materiaal door decanteren en te verwijderen van ethyleen glycol zoveel mogelijk wassen. Bereiden van een filtratiesysteem dat bestaat uit een 0,8 μm filtreerpapier (Grade 5, kosteloos as) goed vastgehouden aan de muren van een glazen trechter. Verbinding maken met een conische kolf met behulp van een doorboorde kurk stopper. De filtratie stap uitvoeren door de zwaartekracht.
- (Optioneel) Wanneer de schorsing van de reactor aan de trechter gieten, gebruik gedeïoniseerd water te spoelen de autoclaaf reactor.
- Wassen van het vast product bewaard in het koffiefilter — van een intens oranje kleur — meerdere malen met gedestilleerd water en absolute ethanol (technische kwaliteit). Alternatieve het oplosmiddel wassen totdat het percolaat kleurloos is.
Opmerking: Houd er rekening mee dat gedeïoniseerd water anorganische ionen, verwijdert terwijl de absolute ethanol verwijdert de resterende ethyleen-glycol; aldus, moeten beide oplosmiddelen worden gebruikt. - Gebruik gedeïoniseerd water in de twee laatste wassen stappen te verwijderen van elk spoor van absolute ethanol en het intense-Oranje-gekleurde product bij 80 ° C gedurende 24 uur drogen. Laatst, het materiaal in amberkleurige glazen flessen, in het donker, bij voorkeur in een exsiccator opslaan.
3. karakterisering van de microsferen BiOI
- De röntgendiffractie analyses van het poeder materiaal, met behulp van een lichtbron voor monochrome Cu-Kα uit te voeren, met λ = 1.5406 Å, gevoed met 30 kV en 15 mA.
- Het bepalen van de specifieke oppervlakte door de methode Brunauer – Emmett-Teller (inzet), via de adsorptie van N2.
- Outgas de poeder monsters (500 mg) bij 80ºC overnachting vóór de analyse. De N2 adsorptie metingen op - 75ºC uitvoeren Bereken de specifieke oppervlakte en het poriënvolume van de adsorptie-isothermen.
- Het bepalen van de UV-zichtbaar diffuse reflectie spectra van de materialen met behulp van een spectrofotometer met een bidsprinkhaan accessoire.
- Droog de poeder monsters in een laboratorium oven, bij 105ºC 's nachts. Dan, zet zorgvuldig 30 mg in de haven van de steekproef van de bidsprinkhaan accessoire.
- Bestralen van de poeder monsters met een lichtbron binnen het bereik van 200 tot 800 nm om te bekomen van het lichtspectrum van de absorptie van het materiaal. De band gap energie (Eg) met behulp van het absorptiespectrum van het monster te berekenen.
- De secundaire grootte van de BiOI-microsferen bepalen door scanning elektronen microscopie.
- Zet het poeder monster op een tape van koolstof, en vervolgens in de Microscoop stub voor het uitvoeren van de opmerkingen.
- De chemische samenstelling van de monsters door energie dispersieve x-stralen spectroscopie (EDS) analyse bepalen.
4. fotokatalytische activiteit test
- Los 7,5 mg ciprofloxacine in 250 mL gedestilleerd water, verkrijgen een 30 ppm oplossing voor het testen van de oplossing. Vervolgens overbrengen in de testoplossing het glas fotokatalytische reactoren. Grondig het roer van de oplossing, met een magnetische roerder, houden de temperatuur van 25 ° C. Bubble lucht naar de oplossing bij 100 mL/min teneinde verzadiging van de lucht.
- 62,5 mg van de BiOI photocatalyst aan de meetoplossing onmiddellijk het bereiken van een concentratie van 0,25 g/L., neem het eerste monster (8 mL) met een glazen injectiespuit toevoegen. Na 30 min van roeren in het donker, het tweede monster nemen en de lichtbron inschakelen.
- Gezien het feit dat de experimenten worden uitgevoerd onder omstandigheden met UV-A/zichtbaar licht, gebruik een 70 W lamp in de fotokatalyse-tests. Zoek de lichtbron 5 cm boven de photoreactor.
- Vloeibare monsters (8 mL) nemen na 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 en 300 min van bestraling. Filteren alle genomen monsters door hen door een 0,22 µm nylon membraan, om een solide deeltje te verwijderen uit de vloeistof vóór de analyse. Bewaren de gefilterde monsters in amberkleurige glazen flesjes bij 4 ° C tot analyse.
- De mineralisatie van ciprofloxacine bepalen door het analyseren van de concentratie van de totale hoeveelheid organische koolstof (TOC) in de vloeibare monsters gedurende het gehele proces fotokatalytische blijft.
- Het meten van de concentratie van de totale hoeveelheid koolstof (TC, in mg/liter) via natte verbranding bij 720 ° C, in het bijzijn van een Pt-katalysator en de lucht-sfeer. Onder dergelijke omstandigheden, is alle van de koolstof geoxideerd tot CO2 en gekwantificeerd in een FTIR-detector gekoppeld aan de inhoudsopgave-apparaat.
- Bepaal de concentratie van de anorganische koolstof (IC, in mg/liter) via verzuring van monsters met 1 M HCl, wat leidt tot de conversie van carbonaat en bicarbonaat naar CO2· H2O, die in de FTIR-detector wordt gekwantificeerd.
- Bereken de concentratie van TOC resterende in watermonsters met de volgende vergelijking.
Opmerking: Om te voorkomen storingen en daarmee onjuiste resultaten, is het zeer belangrijk om te verwijderen van elk spoor van organische verontreinigingen door het grondig reinigen van al het glas materiaal gebruikt in de bereiding van de monsters. Dit gerechtvaardigd kan worden door meerdere malen wassen met warm water. - Bereken het rendement van de mineralisatie via de uitputting van de totale hoeveelheid organische koolstof in de reactie met behulp van de vergelijking:
Hier, is TOCo de concentratie van de totale hoeveelheid organische koolstof aan het begin van de bestraling, terwijl TOC de concentratie van de totale hoeveelheid organische koolstof op elk moment van de fotokatalytische reactie is.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
3D microstructuren van BiOI werden met succes gesynthetiseerd door de voorgestelde synthetische methode. Dit werd bevestigd door de beelden van de SEM weergegeven in Figuur 1a-c. De microsferen worden gevormd door laminaire structuren voor [Bi2O2]2 +, die zijn gebonden door twee jodide atomen1. De vorming van de microsferen hangt af van de temperatuur en tijd van de sol...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Wij beschouwen het mengsel van de voorlopers als de cruciale stap in de synthese van de solvothermal van de BiOI-microsferen. Een erg traag druipen van de KI-oplossing in het Bi (3)3 -oplossing (met een maximum van 1 mL/min) is van cruciaal belang om te verkrijgen mesoporous microsferen, aangezien hierdoor de trage formatie en zelf-assemblage van de [Bi2O2]+ 2 platen , gevolgd door de binding met de jodide-atomen te vormen van de BiOI-laminaten. De lamellen zijn de b...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs willen bedanken voor de Secretaría de Ciencia, Tecnología-e Innovación de la Ciudad de México voor de middelen verstrekt voor het uitvoeren van deze werkzaamheden door middel van het gefinancierde project SECITI/047/2016, en de nationale fondsen voor wetenschappelijke en technologischeontwikkeling Chili (FONDECYT 11170431).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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 | Gebruikt voor de bepaling van de bandgap door het Tauc-model. | |
| JSM-5600 Scanning Electron Microscope | JOEL | Gebruikt voor de SEM-beelden. | |
| Autosob-1 | Qantachrome Instruments | Gebruikt voor de bepaling van oppervlaktegebied en poriëndiameter. | |
| TOC-L Total Organic Carbon Analyzer | Shimadzu | Gebruikt voor de bepaling van totaal organisch koolstof in watermonsters. | |
| Bruker AXS D8 Advance - X-ray Diffraction | Bruker | Bepaling van kristalstructuur en kristalgrootte |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
