Summary
Denna artikel beskriver en syntetisk metod för att erhålla bismuth oxyiodide mikrosfärer, som är mycket funktionella att utföra fotokatalytisk avlägsnande av organiska föroreningar, såsom ciprofloxacin, i vatten under UV-A/synliga ljus bestrålning.
Abstract
Bismuth oxyhalide (BiOI) är ett lovande material för solljus-driven-miljömässiga fotokatalys. Med tanke på att den fysiska strukturen av denna typ av material är starkt relaterade till dess fotokatalytisk prestanda, är det nödvändigt att standardisera de syntetiska metoderna för att erhålla de mest funktionella arkitekturerna och därmed det högsta Fotokatalytiskt effektivitet. Här rapporterar vi en tillförlitlig rutt att erhålla BiOI mikrosfärer via solvothermal processen, med Bi (nr3)3 och kaliumjodid (KI) som prekursorer och etylenglykol som en mall. Syntesen är standardiserad i en 150 mL autoklav, på 126 ° C för 18 h. Detta resulterar i 2-3 µm och medelstora mesoporous mikrosfärer, med relevanta specifika ytan (61,3 m2g). Förkorta reaktionstider i syntesen resulterar i amorfa strukturer, medan högre temperaturer leder till en liten ökning i porositeten mikrosfärerna har blandats fullständigt, med ingen effekt i fotokatalytisk prestanda. Materialen är foto-aktiva under UV-A/synliga ljus bestrålning för degraderingen av antibiotikumet ciprofloxacin i vatten. Denna metod har visat vara effektiv i interlaboratory tester, att få liknande BiOI mikrosfärer i mexikanska och chilenska forskargrupper.
Introduction
En uppsjö av halvledare har syntetiserats hittills, sikte för photocatalysts med hög aktivitet under synligt ljus bestrålning, antingen för att försämra organiska föreningar eller för att generera förnybar energi i form av väte1,2. Vismut oxihalogenider BiOX (X = Cl, Br eller jag) är kandidater för sådana ansökningar på grund av deras höga fotokatalytisk effektivitet under synligt ljus eller simulerat solljus bestrålning3,4. Band gap energi (Eg) vismut oxihalogenider minskar med ökningen av det Atom-numret av halide; BiOI är således materialet visar lägsta aktiveringsenergin (Eg = 1.8 eV)5. Jodid atomer, bundna via Van der Waals kraften till vismut atomer, skapa ett elektriskt fält som gynnar migration av laddningsbärarna till halvledare ytan, utlöser fotokatalytisk process4,6. Arkitekturen av naturgrafiten har dessutom en avgörande roll i söndring, av laddningsbärarna. Mycket orienterade strukturerna i (001) planet och 3D-strukturer (t.ex. mikrosfärer) underlätta kostnad bärare separation vid bestrålning, öka den fotokatalytisk prestanda7,8,9 , 10 , 11 , 12. mot denna bakgrund är det nödvändigt att utveckla tillförlitliga syntetiska metoder för att erhålla strukturer som öka foto-aktiviteten av vismut oxyhalide material.
Metoden solvothermal, överlägset, oftast används och studerade väg till få BiOI mikrosfärer13,14,15,16. Vissa metoder som använder Joniska vätskor har också varit rapporterade17, även om de kostnader som är förknippade med dessa metoder kan vara högre. Microsphere struktur erhålls vanligtvis använda organiska lösningsmedel såsom etylenglykol, som fungerar som en samordnande agent att bilda metall alkoxides, vilket resulterar i en gradvis självmonterande [Bi2O2]2 + arter f18 , 19. med den solvothermal vägen med etylenglykol underlättar bildningen av olika morfologier genom att ändra viktiga parametrar i reaktionen, såsom temperatur och reaktionstid4,18. I området i närheten finns det en bred mängd litteratur på syntetiska metoder för att erhålla BiOI mikrosfärer, som visar kontrasterande information att uppnå mycket fotoaktiva strukturer. Detta detaljerade protokoll syftar visar en pålitlig syntetisk metod att få BiOI mikrosfärer högfunktionella i fotokatalytisk nedbrytning av föroreningar i vatten. Vi har för avsikt att hjälpa nya forskare att framgångsrikt få denna typ av material, att undvika de vanligaste fallgroparna som är associerad med syntesprocessen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Obs: Läs alla säkerhetsdatablad (MSDS) innan du använder de kemiska reagenserna. Följ alla säkerhet protokoll genom att bära en labbrock och handskar. Bär skyddsglasögon UV skydd under fotokatalys provningarna. Tänk på att nanomaterial kan utgöra viktiga farliga effekter jämfört med sin föregångare.
1. beredning av den BiOI mikrosfärer
- För lösning 1, lös 2.9104 g vismut nitrat pentahydrat (Bi (nr3)3∙5H2O) i 60 mL av etylenglykol i en glasbägare. För lösning 2, Lös 0.9960 g KI i 60 mL av etylenglykol i en glasbägare.
Obs: Det är viktigt att helt upplösa de oorganiska salterna i organiskt lösningsmedel; Det kan ta cirka 60 min. ultraljudsbehandling kan vara till hjälp att lösa upp båda prekursorer. - Tillsätt droppvis lösning 2 till lösning 1 (med en flödeshastighet av cirka 1 mL/min). Färglös lösning 2 ändras till en gulaktig suspension. Ibland, när lösning 2 är plötsligt lagt, svart färg kan visas, på grund av bildandet av BiI4– komplexet. I sådana fall måste syntesen avbröts och startade igen.
Obs: Laboratoriematerial måste vara helt torkat eftersom förekomsten av vatten främjar okontrollerad utfällning av vismut oxid (Bi2O3). - Rör blandningen, med måttlig hastighet under 30 minuter vid rumstemperatur. Överför sedan blandningen till en 150 mL autoklav reaktor. Försiktigt snurra bägaren för att ta bort den återstående suspensionen från sidoväggarna. Det är möjligt att lägga till 1-5 mL av etylenglykol att skölja bägarna. Se till att tätt stänga reaktorn.
Obs: Autoklaven bör fyllas från 40% till 80% av sin kapacitet för att uppnå optimalt tryck villkoren till bildandet av BiOI att mikrosfärerna. En mjuk förslutning av reaktorn kan resultera i förlust av tryck, förstöra syntesen. - Leverera termisk behandling till reaktorn i en ugn, från rumstemperatur till 126 ° C, med en temperatur ramp av 2 ° C i minst bibehålla den slutliga temperaturen för 18 h10. Sedan kan du svalka autoklav reaktorn till rumstemperatur.
Obs: Värm ugnen eller ge en snabb uppvärmning eftersom det kommer att förstöra bildandet av mikrosfärerna inte.
FÖRSIKTIGHET: Framkalla inte kyla genom att tvätta autoklav med kallt vatten, eftersom det kan orsaka deformeringen av autoklaven. Försök inte att öppna reaktorn medan det fortfarande varmt, eftersom detta kan resultera i utsläpp av jod gas.
2. tvätta BiOI att mikrosfärerna
- Separata fast materialet genom dekantering och tvätta den och ta bort etylen glykol så mycket som möjligt. Förbereda ett filtreringssystem som bestående av en 0,8 μm filterpapper (Grade 5, fri från aska) följs korrekt väggarna i en glastratt. Ansluta till en Erlenmeyerkolv som använder en piercade kork. Genomföra steget filtrering av gravitationen.
- (Valfritt) När hälla fjädringen från reaktorn till tratten, Använd avjoniserat vatten för att skölja autoklav reaktorn.
- Tvätta fast produkten kvar i pappersfiltret — av en intensiv orange färg — flera gånger med destillerat vatten och absolut etanol (teknisk kvalitet). Växelvis med tvätt vätskan tills lakvatten är färglös.
Obs: Observera att avjoniserat vatten tar bort oorganiska joner, medan absolut etanol tar bort de återstående etylenglykol; Således får både lösningsmedel användas. - Använd avjoniserat vatten i de två sista tvätt stegen att ta bort alla spår av absolut etanol och torr intensiv-orange-färgade produkten vid 80 ° C under 24 h. Senast, lagra materialet i bärnstensfärgade glasflaskor, i mörkret, helst i en exsickator.
3. karakterisering av BiOI att mikrosfärerna
- Utföra röntgendiffraktion analysen av pulvermaterial, använder en monochromic Cu-Kα ljuskälla, med λ = 1.5406 Å, drivs 30 kV och 15 mA.
- Bestämma den specifika ytan av metoden Brunauer – Emmett – Teller (insats), via adsorption av N2.
- Outgas pulvret prover (500 mg) vid 80 ° c över natten före analys. Utföra N2 adsorption mätningarna vid - 75ºC. Beräkna den specifika yta och porvolym från Adsorptionsisotermerna.
- Bestämma UV-diffus reflektans spektra av material med en spektrofotometer med ett praying mantis tillbehör.
- Torrt pulver proverna, i ett laboratorium ugn, vid 105ºC över natten. Sedan försiktigt sätta 30 mg i provet port för praying mantis tillbehöret.
- Bestråla pulver proverna med en ljuskälla inom spänna av 200 till 800 nm för att erhålla ljus absorptionsspektrum material. Beräkna den band gap energi (t.ex.) använder absorptionsspektrum av provet.
- Bestämma sekundära storleken på den BiOI mikrosfärer av svepelektronmikroskopi.
- Lägga puder provet på ett kol band och sedan i mikroskopet stub att utföra observationerna.
- Bestämma den kemiska sammansättningen av proverna av energianalys dispersive X-ray spektroskopi (EDS).
4. Fotokatalytiskt aktiviteten test
- För att testa lösning, lös 7,5 mg ciprofloxacin i 250 mL destillerat vatten, att skaffa en 30 ppm-lösning. Överför sedan provlösningen till glas fotokatalytisk reaktorn. Grundligt rör lösningen med en magnetomrörare, att hålla temperaturen vid 25 ° C. Bubbla luft till lösningen på 100 mL/min för att bibehålla luft mättnad.
- Lägga till 62,5 mg av den BiOI fotokatalysatorn provlösningen att uppnå en koncentration på 0,25 g/L. omedelbart, ta det första provet (8 mL) med hjälp av en spruta av glas. Efter 30 min av omrörning i mörkret, ta andra provet och aktivera ljuskällan.
- Med tanke på att experimenten utförs under UV-A/synliga ljusförhållanden, Använd en 70 W-lampa i fotokatalys testerna. Leta upp ljuskällan 5 cm ovanför photoreactor.
- Ta flytande prov (8 mL) efter 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 och 300 min av bestrålning. Filtrera alla återtagna prover genom att passera dem genom ett 0,22 µm nylon membran, för att avlägsna eventuella fasta partiklar från vätskan före analys. Förvara de filtrerade proverna i bärnstensfärgat glasflaskor vid 4 ° C fram till analys.
- Bestämma mineraliseringen av ciprofloxacin genom att analysera totalt organiskt kol (TOC) koncentrationen kvar i de flytande proverna under hela fotokatalytisk processen.
- Mätning av koncentrationen av totalt kol (TC, i mg/L) via våt förbränning vid 720 ° C, i närvaro av en Pt katalysator och luft atmosfär. Under sådana förhållanden, är alla kol oxideras till CO2 och kvantifieras i en FTIR detektor kopplat till TOC enheten.
- Avgöra den oorganiska kolhalten (IC, i mg/L) via försurning av prover med 1 M HCl, leder till konvertering av karbonat och bikarbonat till CO2· H2O, som kvantifieras i FTIR detektorn.
- Beräkna koncentrationen av TOC kvar i vattenprover av följande ekvation.
Obs: För att undvika störningar och därmed felaktiga resultat, det är mycket viktigt att ta bort alla spår av organiska föroreningar genom att grundligt rengöra allt glasmaterial används i provberedningen. Detta kan vara motiverat med att tvätta flera gånger med varmt vatten. - Beräkna den mineralisering avkastningen via utarmning av totalt organiskt kol i hela reaktionen med hjälp av ekvation:
Här är Innehållsförteckningeno koncentrationen av totalt organiskt kol i början av bestrålning, medan TOC är koncentrationen av totalt organiskt kol helst fotokatalytisk reaktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
3D mikrostrukturer av BiOI var framgångsrikt syntetiseras av den föreslagna syntetiska metoden. Detta bekräftades av de SEM-bilder som visas i figur 1a–c. Mikrosfärerna bildas från laminar strukturer [Bi2O2]2 +, som är bundna av två jodid atomer1. Bildandet av mikrosfärerna beror på temperaturen och tiden för förfarandet för solvothermal, som dessa parametrar styra kristallisation av den oxyhalide3,4,5,6. [Bi2O2] 2 + plattor börja interagera med jodid atomer att bilda laminar strukturer när temperaturen i metoden solvothermal går över 120 ° C1. Sedan, vid en högre temperatur och/eller längre reaktionstid, lamellerna är slumpmässigt ordnade att bygga mikrosfärer1,2,3,4,5,6 ,7,8. När en temperatur på 130 ° C levererades för 12 h, amorfa strukturer observerades (figur 1a) och jodid assimilerades inte helt på den atomära väven, vilket resulterar i bildandet av den Bi5O7jag material. Sedan, när värmebehandling var 126 ° C för 18 h, perfekt formade sfäriska strukturer erhölls (figur 1b). Mesoporous mikrosfärer av BiOI uppnåddes också när en solvothermal behandling utfördes vid 160 ° C i 18 h (figur 1 c). Baserat på SEM analys, hittades genomsnittlig diameter av strukturerna i intervallet 2 till 3 µm.
Analys av röntgendiffraktion anges prevalensen av tetragonal kristallin fas (tabell 1), med en hög exposition (110) och (012) plan, enligt JCPDS kort 73-2062. Som mikrosfärer bildades, orienteringen av naturgrafiten sjunkit tack vare den självmontering av BiOI plattor i 3D-strukturer, som är vanligt förekommande i tidigare verk1,2,3,15 , 16 , 17. i diagram 2 jämförs de röntgendiffraktion (XRD) mönster av BiOI att mikrosfärerna erhålls vid 126 ° C och 160 ° C med XRD mönstret av en 0 D BiOI material. Från denna information, är det möjligt att dra slutsatsen att kristallisation av det BiOI materialet börjar vid temperaturer över 100 ° C, och sedan, [Bi2O2]+ plattor slumpmässigt ordna att bilda BiOI mikrosfärer med ingen orientering av den kristallin fas.
Den specifika ytan på mikrosfärerna (61.28 m2g) var ganska lika som rapporterats för andra halvledare som vanligtvis används i fotokatalys, såsom TiO2 (tabell 1). En stor specifik yta kan vara fördelaktigt i fotokatalytisk processen eftersom ett högre antal organiska molekyler kan adsorberas på halvledare ytan att reagera med den reaktiva syreradikaler (ROS) producerad av laddningsbärarna (t.ex., •OH, • O2–, och H2O2).
Den specifika ytan område och pore volymen ökade med temperatur och reaktionstid vid solvothermal behandling, från 9.61 m2g i den amorfa fasen till 61.28 m2g när 126 ° C och 18 h användes. Inga signifikanta skillnader i den specifika ytan fanns när jämfördes mikrosfärer syntetiseras vid 126 och 160 ° C; Således sattes 126 ° C för 18 h som de optimala förhållandena av syntes. Typ IV isotermerna erhölls i BET analys (figur 3), som tyder på att BiOI mikrosfärer mesoporous material. Optisk karakterisering av mikrosfärerna avtäcka deras förmåga att vara fotoaktiva under synligt ljus bestrålning, som påpekas av bandet gap värdet visade i tabell 1.
En kemisk karakterisering av material utfördes av en sammansättning analys via EDS. Sammansättningen av BiOI material som höll ett stökiometriskt förhållande underhölls när solvothermal syntesen genomfördes vid en låg temperatur (tabell 2). Däremot, när temperaturen på solvothermal syntes ökade, minskade jodid-lastning. Detta kan tillskrivas införandet av de halide atomerna inom halvledare väven, vilket resulterar i en lägre kvantitet av de halide atomerna på ytan. När lösningsmedlet i solvothermal rutten har ändrats till vatten, assimilering av jodid minskat betydligt för att erhålla Bi5O7jag.
Fotokatalytiskt aktiviteten av mikrosfärerna syntetiseras på 126 ° C och 18 h bedömdes efter mineraliseringen av antibiotikumet ciprofloxacin i rent vatten, under UV-A/synliga ljus bestrålning. Som kan ses i figur 4, kunde mikrosfärer mineralize antibiotiska substansen i vatten via fotokatalytisk processen. Det är tydligt hur Fotolys kunde inte helt oxidera organiska molekylen till CO2 (figur 4, blå), medan mineralisering kunde uppnås, på olika nivåer, med BiOI som en fotokatalysator. Dessa resultat visar photoactivity av syntetiskt material helt oxidera komplexa organiska molekyler, som t ex ciprofloxacin. En jämförelse av andelen mineralisering gjordes med den BiOI tvättas med etanol och vatten (som anges i protokollet) och andra microsphere material, som tvättades med vatten (figur 4, röd och svart). Det observerades hur ofullständigt tvättade materialet kunde släppa organiskt kol till lösningen, störande med mätningar av TOC i vattenprover, samt med mineraliseringen processen.
Utsläppet av organiskt kol från fotokatalysatorn observerades i det första skedet av fotokatalys analyserna när omrörning i mörkret tillhandahölls. Figur 5 visar andelen adsorption av ciprofloxacin på ytan av BiOI att mikrosfärerna tvättade bara med vatten och de som behandlats med etanol och vatten blandningen. Mikrosfärer tvättas med etanol och vatten blandningen visade några adsorption av organiska molekylen, medan frisläppandet av organiskt kol upptäcktes för materialet tvättas bara med vatten. Detta kan förklaras av ofullständig rengöring av områdena adsorption på BiOI materialet tvättas endast med vatten, vilket resulterar å ena sidan i en frigivning av etylenglykol och å andra sidan i lägre adsorption av ciprofloxacin, med åtföljande minskningen Fotokatalytiskt aktiviteten.
Figur 1: SEM-bilder av materialen. Erhålls vid (en) 130 ° C i 12 h, (b) 126 ° C för 18 h, och (c) 160 ° C för 18 h. Till vänster visas lågupplösta bilder, medan inzoomade bilder tillhandahålls på höger sida. Klicka här för att visa en större version av denna siffra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: röntgendiffraktion mönster. (En) 0 D BiOI (001)-oriented material, (b) BiOI mikrosfärer syntetiseras på 126 ° C för 18 h och (c), BiOI mikrosfärer syntetiseras vid 160 ° C i 18 h. Förlusten av orientering kristaller visas när mikrosfärer erhölls. Diffraktionsmönster jämförs med hänvisning JCPDS kortet 73-2062. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: N2 adsorptionsisotermer bismuth oxyhalide microsphere material syntetiseras vid 126 och 160 ° C och jämfört med 0 D BiOI, orienterad i den (001) fasett. Typ IV isotermerna, som beskriver mesoporous material, visas i denna bild. Klicka här för att visa en större version av denna siffra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: mineralisering andelen ciprofloxacin i Fotolys och fotokatalys provning med användning av BiOI att mikrosfärerna erhålls med och utan steget tvätt med etanol-vatten blandningen. Den experimentella fel ges av standardavvikelsen barer. Klicka här för att visa en större version av denna siffra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: totalt organiskt kol (TOC) koncentration i vattenprover i början av experimenten och efter 30 min av omrörning i mörkret. Den experimentella fel ges av standardavvikelsen barer. Bestämning av Innehållsförteckningen utfördes i ett prov av provlösningen efter denna lösning hade varit i kontakt med BiOI mikrosfärer under omrörning i 30 min i mörker. På y-axeln avser TOCB organiskt kol i testets lösning, medan TOCL representerar innehållet av organiskt kol efter 30 min av omrörning i mörkret, precis innan ljuskällan är påslagen. Diagrammet visar hur materialet tvättas med etanol och vatten (tvättade) presenterar en positiv adsorption av organiskt kol från lösningen, medan materialet tvättas endast med vatten (ej tvättade) uttryckte en negativ adsorption, vilket innebär utsläpp av organiska koldioxid i lösning. Klicka här för att visa en större version av denna siffra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| PARAMETERN | VÄRDE |
| kristallstruktur | Tetragonala |
| naturgrafiten storlek (nm) | 4.12 |
| SATSA område (m2g) | 61.28 |
| pordiameter (nm) | 17,7 |
| T.ex. (eV) | 1,94 |
Tabell 1: Karakterisering av BiOI att mikrosfärerna syntetiseras av den föreslagna metoden.
| Bi (på. %) | O (vid. %) | Jag (på. %) | |
| BiOI | 33.65 ± 0.86 | 33.59 ± 0,54 | 32.76 ± 0,58 |
| Bi5O7jag | 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 |
Tabell 2: Kemiska sammansättningen av BiOI material bestäms av EDS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi anser blandningen av prekursorer som kritiska steg i solvothermal syntesen av BiOI att mikrosfärerna. En mycket långsam droppande av KI lösningen i Bi (nr3)3 lösning (på högst 1 mL/min) är avgörande för att få mesoporous mikrosfärer, eftersom det tillåter långsamma bildandet och självmontering av [Bi2O2]+ 2 plattor , följt av limning med jodid atomerna bildar de BiOI laminat. Lamellerna är tegelstenarna mikrosfärerna har blandats fullständigt i solvothermal steg (figur 1). Temperatur och reaktionstid är de viktigaste faktorerna för solvothermal syntes eftersom höga temperaturer kan initialt kristallisation av [Bi2O2]+ plattor och, sedan, arrangemang av dessa plattor att skapa mikrosfärerna 1 , 3. Mesoporous mikrosfärer erhölls när temperaturen upprätthölls över 120 ° C, medan 3D-strukturer bildades ofullständigt när reaktionstiden var under 18 h. Likaså var assimilering av jodid ofullständig vid en lägre temperatur och kortare reaktionstid, vilket resulterar i jodid bristfällig material såsom den Bi4O5jag2 (gul-färgade).
Korrekt tvättning av BiOI material måste utföras för att få funktionella photocatalysts eftersom etylenglykol kan råda på materialets yta när det bara tvättas med vatten (även med hett vatten). Resterna av etylenglykol kan släppas ut i lösningen innan fotokatalytisk testerna är igång, hämmar den nedbrytning och mineralisering av ciprofloxacin när ljuskällan är påslagen. Det är viktigt att komma ihåg att alkoholer kan höja kolhalten mätt som TOC analys oproportionerligt. Av denna anledning är det mycket viktigt att tvätta material växelvis med etanol och vatten. När koncentrationen av organiskt kol i vatten ökar genom fotokatalytisk processen, kan det lösas genom att återställa materialet och tvättning med etanol och varmvatten.
Den föreslagna metoden kan ändras när det gäller storleken autoklav. Här redovisar vi syntes med 150 mL Parr reaktorn; men kan synteser som använder en större reaktionskammaren utföras. Baserat på vår erfarenhet, kan 250 mL Parr reaktorer användas i syntesen, vilket resulterar i en liten ökning av den specifika ytan mikrosfärerna har blandats fullständigt. Ändringen har dock ingen effekt på fotokatalytisk prestanda av materialet. Det är viktigt att tänka på att trappa upp metoden till högre volymer-den högsta volymen av solvothermal reaktorer på marknaden är 2 000 mL-kräver ytterligare experiment.
Begränsningar av den föreslagna metoden ligga i låg potential skala upp till högre volymer, med tanke på att större reaktorer finns knappast på marknaden. Också, som nämnts ovan, förluster av etylenglykol kan uppstå när autoklav reaktorn inte är ordentligt stängd. Vara medveten om eventuella urlakning av organiska lösningsmedel i hela syntesprocessen för att undvika att förstöra produkten. vissa autoklav reaktorer är utrustade med en manometer för att underlätta denna uppgift. Vid läckage, kan autoklav stängas med adekvat säkerhetsutrustning, hindrar kylning av reaktorn. När problemet är löst inom de första 2 h av syntesen, kan mikrosfärer med acceptabel Fotokatalytiskt aktiviteten fortfarande erhållas.
Mikrosfärer bildas knappt när andra organiska lösningsmedel (glycerol, metanol, etanol) används, medan du använder vatten resulterar i lägsta assimilering av jodid, vilket leder till bildandet av den Bi5O7(vita-färgade) material. En ytterligare ökning av reaktion temperatur (över 180 ° C) kan resultera i en kemisk minskning av vismut till metalliska vismut, som kan underlättas genom etylenglykol i egenskap av en reduktiv ombud.
Hittills, finns det några alternativa metoder rapportering syntesen av BiOI mikrosfärer. Exempelvis utförs Montoya-Zamora et al.20 nederbörd med EDTA, vilket resulterar i oregelbundna mikrosfärer med en låg satsning. Däremot, var forskningen han et al.21 syftar till mekaniska syntesen av BiOI mikrosfärer i rumstemperatur, uppnå orienterade kristaller med en lägre BET-yta än den som observerades i denna studie. Den syntetiska metoden som föreslås i detta arbete används för att syntetisera andra vismut oxihalogenider, såsom BiOCl22 och BiOBr23, som har visat sig vara effektiva i fotokatalytisk avlägsnandet av organiska föroreningar i vatten och ingax i luften20samt i utvecklingen av väte19. Den senaste forskningen syftar att använda vismut oxihalogenider i en minskning av CO2 molekylen för att producera väte och lätta kolväten (artificiell fotosyntes)24. Med tanke på att syntesen av metoden solvothermal har framgångsrikt utförts med reproducerbara resultat i två olika länder (Mexiko och Chile), det förväntas att denna metod kan skalas upp och dess tillämpning i reningsverk förbättras.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill tacka de Secretaría de Ciencia, Tecnologia e Innovación de la Ciudad de México för resurser som tillhandahålls för att utföra detta arbete genom finansierade projektet SECITI-047-2016, och den nationella medel för vetenskaplig och teknikutveckling 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).
