Методическая статья

Снисходительный синтетический метод для получения висмута Oxyiodide микросферы высокофункциональная фотокаталитический процессов очистки воды

7.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/59006

⸱

29 марта 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Эта статья описывает синтетический метод для получения висмута oxyiodide микросферы, которые являются весьма функциональный выполнять фотокаталитический удаления органических загрязнителей, таких как ципрофлоксацин, в воде под UV-A/видимый свет облучения.

Аннотация

Висмут oxyhalide (BiOI) является перспективным материалом для солнечного света driven экологические Фотокатализ. Учитывая, что высоко физической структуры такого рода материалов связана с его фотокаталитический производительности, необходимо стандартизировать синтетических методов с целью получения наиболее функциональной архитектуры и, таким образом, высокий фотокаталитический эффективность. Здесь мы приводим надежный маршрут для получения BiOI микросферы через процесс solvothermal, используя Bi (№3)3 и йодида калия (KI) прекурсоров, а также этиленгликоля в качестве шаблона. Синтез стандартизирован в автоклаве 150 мл, на 126 ° C для 18 h. Это приводит к 2-3 мкм размера мезопористых микросферы, с соответствующей удельной площади поверхности (61,3 м2/г). Сокращение времени реакции в синтезе приводит аморфных структур, в то время как высоких температур приведет к незначительное увеличение в пористость микросферы, без эффекта в исполнении фотокаталитический. Материалы, Фото активные под UV-A/видимый свет облучения для деградации антибиотика ципрофлоксацина в воде. Этот метод показал эффективность в межлабораторных испытаний, получения аналогичных BiOI микросфер в мексиканской и чилийских исследовательских групп.

Введение

Множество полупроводников синтезирована пока, направленных для фотокатализаторы с высокой активностью в видимый свет облучения, разлагаться органические соединения или для создания возобновляемых источников энергии в виде водорода1,2. Висмут oxyhalides BiOX (X = Cl, Br, I) являются кандидатами для таких приложений, из-за их высокой фотокаталитический эффективность в видимый свет или смоделированные солнечного облучения3,4. Группа зазор энергии (Eg) висмута oxyhalides уменьшается с увеличением Атомный номер галоидных; Таким образом, BiOI это материал, отображение низкая энергия активации (Eg = 1.8 eV)5. Иодид атомов, тычковой через ван дер Ваальса силы атома висмута, создание электрического поля, что способствует миграции носителей заряда на поверхности полупроводника, вызывая фотокаталитический процесс4,6. Кроме того архитектура кристаллитов имеет решающую роль в комнате, Тион носителей заряда. Высоко ориентированный на плоскости (001) и 3D конструкций (например, микросферы) облегчить разделение несущей заряд после облучения, увеличивая фотокаталитический производительности7,8,9 , 10 , 11 , 12. с учетом этого необходимо разработать надежные синтетические методы для получения структур, которые повышают фото деятельность висмута oxyhalide материалов.

Метод solvothermal является, на сегодняшний день, наиболее часто используемые и изучал маршрут для получения BiOI микросферы13,14,,1516. Некоторые методики с использованием ионные жидкости были также сообщил17, хотя расходы, связанные с этими методологиями может быть выше. Микросфера структура обычно извлекаются с использованием органических растворителей, таких как гликоль этилена, который выступает в качестве координирующего агент сформировать металлические качестве, что приводит к постепенной самостоятельной сборки [Bi2O2]2 + видов18 , 19. используя solvothermal маршрут с этиленгликоля облегчает формирование различных морфологии, изменив ключевых параметров в реакции, такие как температура и время реакции4,18. Существует широкий объем литературы на синтетические методы для получения BiOI микросферы, который показывает контрастные информацию для достижения весьма фотоактивного структур. Этот подробный протокол направлен на показаны надежный синтетических метод для получения BiOI микросферы весьма функциональный в деградации фотокаталитический загрязняющих веществ в воде. Мы намерены помочь новые исследователи успешно получить такого рода материалов, избежать наиболее распространенных ошибок, связанных с процессом синтеза.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Примечание: Пожалуйста, прочитайте все листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием химических реагентов. Выполните все протоколы безопасности, нося пальто лаборатории и перчатки. Носите защитные очки УФ-защиты в ходе испытаний Фотокатализ. Имейте в виду, что наноматериалов могут представлять важные опасные последствия, по сравнению с их прекурсоров.

1. Подготовка BiOI микросферы

  1. Для решения 1растворяют 2.9104 g висмута нитрат пентагидрат (Bi (№3)3∙5H2O) в 60 мл этиленгликоля в стеклянный стакан. Для решения 2растворяют 0.9960 g ки в 60 мл этиленгликоля в стеклянный стакан.
    Примечание: Важно, чтобы полностью растворить неорганических солей в органических растворителей; Это может занять около 60 мин Sonication может быть полезно распустить обоих прекурсоров.
  2. Каплям добавьте решение 2 решения 1 (при скорости потока примерно 1 мл/мин). Бесцветный раствор 2 изменится на желтоватый подвеска. Иногда, когда решение 2 это внезапно добавил, черный цвет может появиться за счет формирования комплекса– 4ВП. В таких случаях синтез должен быть прервана и начал снова.
    Примечание: Лаборатория материалов должны быть полностью высушены с появления воды способствует неконтролируемого осадки Висмута оксид (Bi2O3).
  3. Перемешайте смесь, используя с умеренной скоростью 30 мин при комнатной температуре. Затем перенесите смесь на реактор автоклаве 150 мл. Тщательно вихря стакан удалить оставшиеся подвеска из боковин. Это можно добавить 1-5 мл этиленгликоля для полоскания мензурки. Убедитесь в том, чтобы плотно закрыть реактора.
    Примечание: Автоклав должны заполняться от 40% до 80% его вместимости для достижения оптимального давления условий на формирование BiOI микросфер. Мягкое уплотнение реактора может привести к потере давления, испортив синтеза.
  4. Поставка тепловой обработки в реактор в печи, от комнатной температуры до 126 ° C, с помощью рамп температура 2 ° C/мин поддерживать конечная температура 18 h10. Затем охладить реактор автоклаве до комнатной температуры.
    Примечание: Не духовку или быстрого Отопление, так как он будет портить формирования микросфер.
    Предупреждение: Не вызвать охлаждение путем промывания автоклав с холодной водой, как это может привести к деформации автоклава. Не пытайтесь открыть реактора, пока она еще горячая, как это может привести к выпуску йода газов.

2. мытье BiOI микросферы

  1. Отделить твердый материал, декантации и мыть его, чтобы удалить как можно больше этиленгликоля. Подготовьте систему фильтрации, состоящий из 0,8 мкм фильтр бумага (5 класс, свободный пепла) должным образом придерживаться стен стеклянной воронки. Подключиться к колбу Эрленмейера, используя пронзили корковой пробкой. Осуществляют на шаге фильтрации под действием силы тяжести.
    1. (Необязательно) При заливке подвеска из реактора в воронку, используйте деионизированную воду для полоскания реактор автоклаве.
  2. Мыть твердый продукт, сохранена в фильтровальную бумагу — интенсивного оранжевого цвета — несколько раз дистиллированной водой и абсолютного этанола (технические сорта). Альтернативный Стиральная растворителем до бесцветного фильтрата.
    Примечание: Пожалуйста, обратите внимание, что деионизированной воды удаляет неорганических ионов, в то время как абсолютного этанола удаляет оставшиеся этиленгликоля; Таким образом необходимо использовать оба растворителей.
  3. Используйте деионизированную воду в двух последних шагах стиральные для удаления следов абсолютного этанола и сухого продукта интенсивного оранжевого цвета на 80 ° C в течение 24 ч. Наконец храните материал в бутылки из темного стекла, в темноте, предпочтительно в эксикатор.

3. характеристика BiOI микросферы

  1. Рентгеноструктурного анализа порошкового материала, с помощью источника света монохромных Cu-Kα, с λ = 1.5406 Å, действовали на 30 кв и 15 мА.
  2. Определение удельной площади поверхности методом Brunauer – Эмметт – Теллер (BET), через адсорбции N2.
    1. Outgas порошок, образцы (500 мг) на 80ºC ночь перед анализом. Выполнения измерений адсорбции N2 на - 75ºC. Расчет удельной площади поверхности и объема пор от изотермы адсорбции.
  3. Определите УФ видимый спектры диффузного отражения материалов, используя спектрофотометр с богомола аксессуар.
    1. Сухой порошок образцов в лаборатории печи, в 105ºC на ночь. Затем тщательно Положите 30 мг в порту образец богомол аксессуар.
    2. Облучить образцы порошок с источником света в диапазоне от 200 до 800 Нм для получения света спектр поглощения материала. Вычислите энергию разрыв группы (Eg), используя спектр поглощения образца.
  4. Определите вторичный размер BiOI микросферы, сканирующая электронная микроскопия.
    1. Поместите образец порошка на углеродные ленты, а затем в Микроскоп заглушки для выполнения наблюдений.
    2. Определение химического состава образцов энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (ЭЦП) анализа.

4. Фотокаталитическая активность теста

  1. Для тестирования решениярастворяют 7,5 мг ципрофлоксацина 250 мл дистиллированной воды, чтобы получить решение 30 ppm. Затем перенесите тестовое решение фотокаталитический стеклянный реактор. Тщательно перемешайте раствор, с магнитной мешалкой, сохраняя температуру при 25 ° C. Пузырь воздуха в решение на 100 мл/мин для того, чтобы сохранить насыщенность воздуха.
  2. Добавьте 62,5 мг BiOI фотокатализатор тестовое решение немедленно достичь концентрации 0,25 г/л, принять первый образец (8 мл) с помощью шприца стекла. После 30 минут помешивая в темноте Возьмите второй выборки и включите источник света.
    1. Учитывая, что эксперименты проводятся под UV-A/видимые условиях освещения, используйте 70 Вт лампа в тестах Фотокатализ. Найдите источник света 5 см выше photoreactor.
  3. Возьмите жидких проб (8 мл) после 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 и 300 мин облучения. Фильтр все изъяты образцы, передавая их через мембраны нейлона 0,22 мкм, для устранения любых твердых частиц от жидкости до анализа. Храните отфильтрованных проб во флаконах из темного стекла на 4 ° C до анализа.
  4. Определите минерализации ципрофлоксацин, анализируя концентрацию Общий органический углерод (ООУ), оставшиеся в жидких проб на протяжении всего процесса фотокаталитический.
    1. Измерение концентрации общего углерода (TC, в мг/Л) через мокрый сгорания на 720 ° C, в присутствии Pt катализатора и воздуха атмосферы. В таких условиях все углерод окисляется до CO2 и количественно в Фурье-ИК детектор, сочетании TOC устройство.
    2. Определение концентрации неорганического углерода (IC, в мг/Л) через подкисления образцов с HCl 1 M, ведущих к преобразование карбонатов и бикарбонатов в CO2· H2O, которые количественно в детектор ИК-Фурье Спектрометром.
    3. Рассчитайте концентрацию TOC, оставаясь в образцах воды по следующей формуле.
      figure-protocol-1
      Примечание: Для того, чтобы избежать помех и, таким образом, неверные результаты, это очень важно для удаления следов органических примесей путем тщательной очистки все стекло Материал, используемый в подготовке образца. Это может быть оправдано путем промывания несколько раз с горячей водой.
    4. Вычислите доходность минерализации через истощение общего органического углерода во всем с помощью уравнения реакции:
      figure-protocol-2
      Здесь TOCo является концентрация общего органического углерода в начале облучения, в то время как TOC-концентрация общего органического углерода в любое время фотокаталитический реакции.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

3D микроструктур BiOI успешно были синтезированы методом предлагаемого синтетических. Это было подтверждено изображения SEM, показано на рисунке 1a–c. Микросферы формируются из слоистые структуры [Bi2O2]2 +, которые скреплены двух атомов йодида1. Формирование микросфер зависит от температуры и времени solvothermal процедуры, как правило эти параметры кристаллизации oxyh...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы считаем смесь прекурсоров как важный шаг в solvothermal синтезе BiOI микросфер. Очень медленно капает ки решения в решение Bi (№3)3 (на максимум 1 мл/мин) имеет решающее значение для получения мезопористых микросферы, так как он позволяет медленное формирование и самостоятельной сборки [Bi2O2]+ 2 плит , следуют склеивание с атомами йодида сформировать BiOI ламинаты. Ламели являются кирпичи микросфер в solvothermal шаг (рис. 1). Темпер...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы хотят поблагодарить Secretaría de науки, Tecnología e Innovación-де-ла Сьюдад де Мехико для ресурсов предусмотрено осуществлять эту работу в рамках финансируемого проекта SECITI/047/2016 и национальные фонды для науки и технологического развития Чили (НФНТИ 11170431).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Пентагидрат нитрата висмута(III)Sigma Aldrich383074реагент ACS, ≥ 98.0%
Йодид калияSigma Aldrich746428реагент ACS, ≥ 98,0%
ЭтиленгликольSigma Aldrich324558безводный, 99,8%
ЭтанолMeyer5405технического класса, 96%
ЦипрофлоксацинSigma Aldrich17850ВЭЖХ, ≥ 98,0%
Cary 5000 УФ-БИК спектрофотометрAgilentИспользуется для определения запрещенной зоны по модели Tauc.
JSM-5600 Сканирующий электронный микроскопJOELИспользуется для получения СЭМ-изображений.
Autosob-1QantachromeИспользуются для определения площади поверхности и диаметра пор.
Анализатор общего органического углерода TOC-LShimadzuИспользуется для определения общего органического углерода в пробах воды.
Bruker AXS D8 Advance - Рентгеновская дифракцияBrukerОпределение кристаллической структуры и размера кристаллитов
Приборы

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи