Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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
- 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. - . 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). - 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. - 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
- 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.
- (אופציונלי) כאשר מוזג את המתלים של הכור כדי המשפך, להשתמש במים יונים לשטוף את הכור אוטוקלב.
- 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. - 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
- לבצע ניתוח קרני רנטגן של החומר אבקת, באמצעות מקור אור monochromic Cu-Kα, עם λ = 1.5406, פעלו 30 kV ו-15 mA.
- לקבוע את פני השטח ספציפית על ידי שיטת מן המלון – אמט – טלר (ב'), דרך ספיחה של N2.
- 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.
- לקבוע ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות UV הגלוי של החומרים באמצעות ספקטרופוטומטרים עם אביזר גמל.
- יבש הדגימות אבקת, בתנור מעבדה, ב- 105ºC בין לילה. . אז, בזהירות לשים 30 מ"ג בנמל הדגימה של האביזר גמל.
- 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.
- לקבוע את גודל המשני של microspheres BiOI על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים.
- שים המדגם אבקה על קלטת פחמן ואז ב- stub של מיקרוסקופ לביצוע התצפיות.
- לקבוע את ההרכב הכימי של הדגימות על ידי ניתוח ספקטרוסקופיה (EDS) רנטגן ואנליזת אנרגיה.
4. Photocatalytic פעילות מבחן
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- לקבוע את מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין על-ידי ניתוח ריכוז פחמן אורגני הכולל (TOC) הנותרים בדגימות הנוזל לאורך כל תהליך photocatalytic.
- 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.
- 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.
- לחשב את הריכוז של תוכן עניינים שנותרו דגימות מים באמצעות המשוואה הבאה.
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. - לחשב את התשואה מינרליזציה ויה דלדול של פחמן אורגני הכולל לאורך כל התגובה באמצעות המשוואה:
כאן, תוכן ענייניםo הוא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בתחילת ההקרנות, בעוד תוכן העניינים נמצא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בכל זמן התגובה photocatalytic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 oxyhalide3,4,5,6. [Bi2O2] 2 + לוחות להתחיל לקיים אינטראקציה עם יודיד אטומים למבנים למינריות טופס כאשר הטמפרטורה של הגישה solvothermal עובר מעל 120 ° C1. לאחר מכן, ב טמפרטורה גבוהה יותר ו/או זמן תגובה ארוך יותר, lamellae באופן אקראי מסודרים כדי לבנות את microspheres1,2,3,4,5,6 7, ,8. כאשר יש חום של 130 ° C סופקה במשך 12 שעות, מבנים אמורפיים נצפו (איור 1 א'), יודיד לא תמים לחלוטין על השבכה אטומי, וכתוצאה מכך להיווצרות של Bi5או7אני חומר. לאחר מכן, כאשר הטיפול התרמי היה 126 מעלות צלזיוס במשך 18 h, מבנים כדוריים בצורת באופן מושלם התקבלו (איור 1b). Mesoporous microspheres של BiOI הושגו גם בעת טיפול solvothermal בוצעה ב 160 ° C עבור 18 h (איור 1 c). בהתבסס על ניתוח SEM, הקוטר אכזרי של המבנים נמצא בטווח של 2-3 מיקרומטר.
ניתוח על ידי קרני רנטגן המצוין השכיחות של השלב גבישי הטטרגונלית (טבלה 1), עם בטודלה גבוהה (110) לבין (012) מטוסים, על-פי JCPDS כרטיס 73-2062. כפי microspheres נוצרו, הכיוון של crystallite הפילה עקב הרכבה עצמית הלוחות BiOI לתוך מבנים תלת-ממד, אשר בדרך כלל נצפית ב-3,2,1,עבודות קודמות15 , 16 , 17. איור 2 משווה את הדפוסים רנטגן עקיפה (XRD) של microspheres BiOI שהושג ב 126 ° C ו 160 ° C עם התבנית XRD של חומר BiOI 0 D. מן המידע הזה, זה ניתן להסיק כי התגבשויות של החומר BiOI מתחיל בטמפרטורות מעל 100 ° C, ואז, [Bi2O2]+ לוחות לארגן באופן אקראי ליצור BiOI microspheres עם אין כיוון שלב גבישי.
שטח ספציפי microspheres (61.28 מ'2/g) היה די דומה שדווחו עבור אחרים מוליכים בדרך כלל המועסקים photocatalysis הקבלה, כגון TiO2 (טבלה 1). פני שטח רחב מסוים עשוי להיות מועיל בתהליך photocatalytic מאז מספר גבוה יותר של מולקולות אורגניות יכול להיות adsorbed על פני מוליך למחצה להגיב עם מינים חמצן תגובתי (ROS) המיוצר על ידי נושאי המטען (למשל, •הו, • O2–, ו- H2O2).
ספציפית משטח נקבובית ושטח האחסון גדל עם טמפרטורה, זמן התגובה לטיפול solvothermal, מ- 9.61 m /g2בשלב אמורפי כדי /g2מ' 61.28 כאשר 126 ° C ו- 18 h שימשו. אין הבדלים משמעותיים באזור השטח הספציפי נמצאו כאשר הושוו microspheres מסונתז ב 126 ו- 160 ° C; לפיכך, 126 מעלות צלזיוס במשך 18 h נקבעו כמו התנאים אופטימליים של סינתזה. הסוג הרביעי isotherms התקבלו בניתוח ההימור (איור 3), המציין כי BiOI microspheres הם חומרים mesoporous. אפיון microspheres אופטי חשפה את היכולת שלהם להיות photoactive תחת הקרנה אור גלוי, כאמור לפי הערך הפער הלהקה הראו טבלה 1.
אפיון כימי של החומרים בוצע על ידי ניתוח ההלחנה באמצעות עורכים. ההרכב של החומרים BiOI ששמר על יחס stoichiometric נשמר כאשר הסינתזה solvothermal בוצע בטמפרטורה נמוכה (טבלה 2). מצד שני, כאשר הטמפרטורה של הסינתזה solvothermal עלה, ירד יודיד-הטעינה. זה אולי ניתן לייחס ההכללה של האטומים הליד בשבכה מוליכים למחצה, וכתוצאה מכך כמות נמוכה יותר של האטומים הליד על פני השטח. מתי הממס בתוואי solvothermal השתנה למים, ההטמעה של יודיד ירד באופן משמעותי כדי להשיג Bi5או7אני.
פעילות photocatalytic microspheres מסונתז ב 126 ° C ו- 18 h הוערכה בעקבות של מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין אנטיביוטיים במים טהורים, תחת הקרנה אור UV-A/גלוי. כפי שניתן לראות באיור4, microspheres הצליחו mineralize המתחם אנטיביוטיים במים דרך התהליך photocatalytic. זה ברור איך פוטוליזה לא הצליח לגמרי להתחמצן המולקולה אורגני CO2 (איור 4, כחול), בעוד מינרליזציה ניתן להשיג, ברמות שונות, שימוש BiOI photocatalyst. תוצאות אלה מדגימים את photoactivity של החומרים מסונתז לחלוטין להתחמצן מולקולות אורגניות מורכבות, כגון ציפרופלוקסאצין. נעשתה השוואה של קצב מינרליזציה באמצעות את BiOI לרחוץ עם אתנול (כאמור בפרוטוקול) ומים חומרים ננו-ספירה אחרים, אשר נשטפו רק עם מים (איור 4, אדום ושחור). זה נצפתה איך החומר שהיישום שטף היה מסוגל לשחרר פחמן אורגני לפתרון, מתנגש עם המדידות TOC בדגימות מים, כמו גם עם תהליך מינרליזציה.
שחרורו של פחמן אורגני מן photocatalyst נצפתה בשלב הראשון של מבחני photocatalysis הקבלה בעת ערבוב בחושך סופק. איור 5 מציג את קצב ספיחה של ציפרופלוקסאצין על פני השטח של microspheres BiOI שטף רק עם מים ועם אלה מטופלים עם התערובת אתנול/מים. Microspheres לרחוץ בתערובת אתנול/מים הראה כמה ספיחה של מולקולת אורגני, בעוד שחרורו של פחמן אורגני זוהה על החומר לרחוץ רק עם מים. זו יכולה להיות מוסברת על ידי הניקוי לא שלם של האתרים ספיחה על חומר BiOI לרחוץ רק עם מים, וכתוצאה מכך מצד אחד שחרורו של אתילן גליקול, לעומת זאת, ספיחה נמוכה יותר של ציפרופלוקסאצין, עם הירידה הסוגר הפעילות photocatalytic.
איור 1: תמונות SEM של החומרים. להשיג ב () 130 מעלות צלזיוס במשך 12 שעות, (b) 126 מעלות צלזיוס במשך 18 h ו- (ג) 160 ° C עבור 18 h. בצד השמאל, מוצגות תמונות ברזולוציה נמוכה, בעוד תמונות תקריב במסופקים בצד ימין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: קרני רנטגן דפוסי. של חומר (001) מונחה () BiOI 0 D, microspheres BiOI (b) מסונתז ב 126 מעלות צלזיוס במשך 18 h ו (ג) BiOI microspheres מסונתז ב 160 ° C עבור 18 h. היא מופיעה על אובדן התמצאות של הקריסטלים כאשר microspheres התקבלו. הדפוסים עקיפה מושווים עם הכרטיס JCPDS התייחסות 73-2062. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: N2 איזוטרמות של חומרי ננו-ספירה oxyhalide ביסמוט מסונתז ב 126 ו- 160 ° C, לעומת 0 BiOI D, אוריינטציה ההיבט (001). הסוג הרביעי isotherms, המתאר חומרים mesoporous, מוצגים גרפיקה זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: שיעור מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין ב פוטוליזה ו photocatalysis הקבלה בדיקות באמצעות את microspheres BiOI שהושגו עם או בלי השלב כביסה באמצעות תערובת אתנול-מים- השגיאה ניסיוני ניתנת על-ידי סטיית תקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: סה כ ריכוז פחמן אורגני (TOC) בדגימות מים בהתחלה של הניסויים, לאחר 30 דקות של בחישה בחושך. השגיאה ניסיוני ניתנת על-ידי סטיית תקן. הקביעה של תוכן העניינים בוצעה במדגם של הפתרון במבחן לאחר פתרון זה שהיו במגע עם BiOI microspheres תוך כדי ערבוב במשך 30 דקות בחושך. בציר ה-y, תוכן ענייניםB מתייחס פחמן אורגני בפתרון הבחינה, בעוד תוכן ענייניםL מייצג את התוכן של פחמן אורגני לאחר 30 דקות של בחישה בחושך, בדיוק לפני מקור האור דולק. הגרף מראה איך החומר שטפו עם אתנול ומים (שטף) מציג ספיחה חיובית של פחמן אורגני מהפתרון, ואילו החומר לרחוץ רק עם מים (לא לשטוף) הביע ספיחה שלילי, כלומר על שחרורו של אורגני פחמן לתוך הפתרון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| פרמטר | ערך |
| מבנה גבישי | הטטרגונלית |
| גודל crystallite (אן אם) | 4.12 |
| מתערב אזור (ז2/g) | 61.28 |
| קוטר נקבובית (אן אם) | 17.7 |
| למשל (eV) | 1.94 |
טבלה 1: אפיון microspheres BiOI מסונתז על ידי השיטה המוצעת.
| Bi (ב- %) | O (ב- %) | אני (ב- %) | |
| BiOI | 33.65 ± 0.86 ולגובה | 33.59 ± 0.54 | 32.76 ± 0.58 |
| Bi5או7אני | 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 |
טבלה 2: ההרכב הכימי של החומרים BiOI נקבע על-ידי עורכים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 כיוון טמפרטורות גבוהות בתחילה לאפשר התגבשויות של [Bi2O2]+ לוחות. ולאחר מכן, הסידור של לוחות אלה כדי ליצור את microspheres 1 , 3. Mesoporous microspheres התקבלו כאשר הטמפרטורה היה מתוחזק מעל 120 ° C, בעוד 3D מבנים שהיישום נוצרו כאשר וזמן התגובה היה מתחת 18שע. באופן דומה, ההטמעה של יודיד היה שלם טמפרטורה נמוכה יותר, זמן תגובה קצר יותר, וכתוצאה מכך יודיד חומרים לקויה כגון4O Bi5אני2 (בצבע צהוב).
הכביסה הנכונה של החומרים BiOI יש לבצע על מנת לקבל photocatalysts תפקודית מאז אתילן גליקול לגבור על פני השטח גשמי כאשר זה רק נשטף במים (אפילו עם מים חמים). השרידים של-אתילן גליקול יכול להשתחרר בתוך תמיסת לפני הבדיקות photocatalytic מופעלים, פוגעות את ההשפלה ואת מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין כאשר מקור האור מופעל. חשוב לזכור כהלים מסוגלים לגדל פחמן נמדד על ידי ניתוח תוכן עניינים פרופורציה. מסיבה זו, חשוב מאוד לשטוף את החומרים לסירוגין עם אתנול ומים. כאשר הריכוז של פחמן אורגני במים עולה לאורך התהליך photocatalytic, ניתן לפתור זאת על-ידי שחזור החומר ולאחר שטיפה עם אתנול ומים חמים.
השיטה המוצעת יכול להיות שונה מבחינת גודל אוטוקלב. כאן, אנחנו מדווחים על הסינתזה עם כור פאר 150 מ; עם זאת, ניתן לבצע syntheses באמצעות תא התגובה גדול יותר. על סמך הניסיון שלנו, 250 מ ל פאר כורים ניתן בסינתזה, וכתוצאה מכך תוספת קלה של פני השטח הספציפי של microspheres. ואולם, שינוי כזה יש השפעה על הביצועים photocatalytic של החומר. חשוב לקחת בחשבון כי קנה מידה את השיטה לאמצעי הגבוה גבוה יותר את אמצעי האחסון של כורים solvothermal בשוק הוא 2,000 mL-דורש עוד ניסויים.
מגבלות של השיטה המוצעת נעוץ פוטנציאל נמוך של שינוי קנה מידה לאמצעי אחסון גבוהה, בהתחשב בכך כורים גדולים נמצאים בקושי על השוק. כמו כן, כפי שהוזכר לעיל, הפסדים של-אתילן גליקול עלולה להתרחש כאשר הכור אוטוקלב אינה סגורה בחוזקה. להיות מודע לכל שטיפת של הממס האורגני לאורך כל תהליך סינתזה כדי להימנע מקלקל את המוצר; כמה כורים אוטוקלב מצוידים manometer כדי להקל על פעילות זו. במקרה של נזילה, החיטוי ניתן לסגור עם ציוד בטיחות נאותה, מניעת הקירור של הכור. כאשר בעיה זו נפתרה בתוך ה 2 הראשון של הסינתזה, עדיין ניתן להשיג microspheres עם פעילות photocatalytic מקובל.
Microspheres בקושי נוצרות כאשר משתמשים בממסים אורגניים אחרים (גליצרול, מתנול, אתנול), תוך שימוש תוצאות מים הטמעה הנמוך של יודיד, שמוביל היווצרות של Bi5או7חומר (בצבע לבן). תוספת נוספת הטמפרטורה התגובה (מעל 180 ° C) עלול לגרום להפחתת כימי של ביסמוט ביסמוט מתכתי, אשר עשוי להיות בהנחייתם של אתילן גליקול מתנהג כמו סוכן חותכות.
עד כה, ישנן כמה שיטות אלטרנטיביות לדיווח הסינתזה של BiOI microspheres. למשל, מונטויה-זמורה ואח20 לבצע משקעים עם EDTA, וכתוצאה מכך microspheres לא סדיר עם אזור התערבות נמוכה. מצד שני, המחקר הוא ואח21 היה מכוון הסינתזה מכני של BiOI microspheres בטמפרטורת החדר, להשגת קריסטלים מונחה עם התחתון ההימור שטח מזה שנצפה במחקר זה. השיטה סינתטי הציע בעבודה זו נמצאת כעת בשימוש לסנתז oxyhalides ביסמוט אחרים, כגון BiOCl22 ו- BiOBr23, אשר הוכיחו להיות יעילים להסרת photocatalytic מזהמים אורגניים מים, איןx אוויר20, כמו גם באבולוציה של מימן19. המחקר האחרונה שואף להשתמש oxyhalides ביסמוט ההפחתה של המולקולה2 CO לייצר מימן, אור פחמימנים (פוטוסינתזה מלאכותית)24. בהתחשב סינתזה זו בשיטת solvothermal כבר ביצעה בהצלחה עם תוצאות לשחזור בשתי מדינות שונות (מקסיקו וצ'ילה), הוא צפוי שבשיטה זו וניתן לשנותם ויישומו בצמחים טיפול מים משופרת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
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).
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).
