Блог

Jul 23, 2023

Подход к проектированию запрещенной зоны для создания гетероперехода CuO/Mn3O4/CeO2 в качестве нового фотокатализатора для АОП

Scientific Reports Volume 13, Номер статьи: 3009 (2023) Цитировать эту статью 1336 Доступов 3 Цитирования Показатели Подробности В настоящей работе был разработан тройной наногибрид CuO/Mn3O4/CeO2 с использованием

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3009 (2023) Цитировать эту статью

1336 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

В настоящей работе гидротермальным методом соосаждения был получен тройной наногибрид CuO/Mn3O4/CeO2. С использованием соответствующих аналитических методов изучены структура, морфология, элементный состав, электронные состояния элементов и оптические свойства разработанного фотокатализатора. Результаты PXRD, TEM/HRTEM, XPS, EDAX и PL показали, что желаемая наноструктура сформировалась. Используя график запрещенной зоны Таука, было определено, что ширина запрещенной зоны наноструктур составляет ~ 2,44 эВ, что показывает, что края зон различных фрагментов CeO2, Mn3O4 и CuO изменились. Таким образом, улучшение окислительно-восстановительных условий привело к существенному снижению скорости рекомбинации электронно-дырочных пар, что в дальнейшем было объяснено исследованием ФЛ, поскольку разделение зарядов играет ключевую роль. При воздействии видимого света в течение 60 мин было обнаружено, что фотокатализатор достиг 98,98% эффективности фотодеградации красителя малахитового зеленого (МГ). Процесс фотодеградации протекал по кинетической модели реакции псевдопервого порядка с отличной скоростью реакции 0,07295 мин-1 с R2 = 0,99144. Было исследовано влияние различных переменных реакции, неорганических солей и водных матриц. Это исследование направлено на создание тройного наногибридного фотокатализатора с высокой фотостабильностью, активностью в видимом спектре и возможностью повторного использования до четырех циклов.

Многие профессии и отрасли используют органические красители, в том числе для тканей, пластиковых листов, кожи, медицинских изделий, средств по уходу за кожей и продуктов питания, чтобы окрашивать свои товары и сбрасывать сточные воды в экосистему без какого-либо первичного ухода1,2. Эти красочные органические загрязнители опасны для водной среды и здоровья человека3,4,5. Эти красители препятствуют проникновению солнечного света в водные потоки, замедляют фотосинтетические явления в водной экосистеме и могут взаимодействовать с ионными металлами с образованием хелатных комплексов, что приводит к токсичности для живых существ6. Малахитовый зеленый (МГ) — катионный краситель, применяется во многих отраслях промышленности в качестве красителя кожаных, текстильных и шерстяных изделий, а также в рыбной промышленности как противопаразитарное средство (рис. 1). Однако известно, что МГ является канцерогенным токсином и может нанести серьезный вред здоровью человека даже в незначительных концентрациях (1 мг/л)7,8,9,10. Были предприняты инициативы по очистке воды от вредных органических красителей, таких как краситель MG. В этом контексте большой интерес вызвало производство эффективного нанофотокатализатора11,12.

Химическая структура красителя малахитового зеленого (МГ).

В отличие от других подходов к очистке сточных вод, таких как фильтрация, осаждение, коагуляция, адсорбция и т. д., фотокаталитическая деградация полностью разрушает органические загрязнители. Он не производит токсичных побочных продуктов, которые оказались устойчивыми к другим подходам к очистке воды13,14. Дальнейшие исследования в области фотокатализа привели к разработке нового, короткого окислительного метода, который называется Advanced Oxidation Process (AOP). Эти методы направлены на полное разрушение опасных органических загрязнителей, таких как малахитовый зеленый, с образованием активных форм кислорода15,16.

Устранение стойких органических загрязнителей из водоемов было достигнуто с помощью разновидности АОП, называемой гетерогенным фотокатализом17,18. CeO2 представляет собой полупроводник с эффективной подвижностью электронов, шириной запрещенной зоны ~ 3,27 эВ, превосходной электрохимической стабильностью и хорошей изоэлектрической точкой 9 для каталитических систем19,20,21. Несмотря на многочисленные преимущества, его широкая запрещенная зона ограничивает его применимость при облучении в УФ-диапазоне22. Кроме того, было показано, что его функция как фотокатализатора нарушается из-за чрезмерной электрон-дырочной рекомбинации23,24. Точная настройка запрещенной зоны CeO2 путем комбинирования различных полупроводников (оксидов металлов) с более низкой запрещенной зоной и правыми краями зоны будет необходима для поддержания существенного разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар25,26. CeO2 в чистом виде имеет ширину запрещенной зоны около 3,2 эВ. Чистые наночастицы CeO2 не могут эффективно захватывать видимый свет, поскольку получаемому облучению не хватает энергии, необходимой для производства носителей заряда27.