Ein Facile synthetische Methode, Wismut Oxyiodide Mikrosphären hochfunktionelle der photokatalytischen Prozesse der Wasser Depuration zu erhalten

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt eine synthetische Methode zur Wismut Oxyiodide Mikrosphären, erhalten die hochfunktionelle photokatalytischen Abbau von organischen Schadstoffen, wie z. B. Ciprofloxacin, in Wasser unter UV-A/sichtbar Lichteinstrahlung durchzuführen sind.

Zusammenfassung

Wismut Oxyhalide (BiOI) ist ein vielversprechendes Material für Sonnenlicht-getrieben-Umwelt Photokatalyse. Angesichts der Tatsache, dass die physikalische Struktur dieser Art von Materialien hoch, seine photokatalytischen Leistung zusammenhängt, ist es notwendig, die synthetischen Methoden zu standardisieren, um die funktionellsten Architekturen und damit die höchste photokatalytische zu erhalten Effizienz. Hier berichten wir eine zuverlässige Route BiOI Mikrosphären über den Solvothermal-Prozess zu erhalten, Bi (Nr.₃)₃ und Kaliumjodid (KI) als Vorläufer und Ethylenglykol als Vorlage verwenden. Die Synthese ist ein 150 mL Autoklaven bei 126 ° C für 18 h standardisiert. Dies führt zu 2-3 µm Größe mesoporösen Mikrosphären, mit einer entsprechenden spezifischen Oberfläche (61,3 m2/g). Verkürzung der Reaktionszeiten bei der Synthese entstehen amorphe Strukturen, während höhere Temperaturen zu einem leichten Anstieg in der Porosität der Mikrosphären, ohne Wirkung in der photokatalytischen Leistung führen. Die Materialien sind Foto-aktiv unter UV-A/sichtbar Lichteinstrahlung für den Abbau von dem Antibiotikum Ciprofloxacin in Wasser. Diese Methode hat gezeigt, um wirksam bei Ringversuchen erhalten ähnliche BiOI Mikrosphären in mexikanische und chilenische Forschungsgruppen.

Einleitung

Eine Fülle von Halbleitern hat bisher synthetisiert anstreben Photokatalysatoren mit hoher Aktivität unter sichtbaren Lichteinstrahlung, organische Verbindungen abgebaut oder zur Erzeugung erneuerbarer Energien in Form von Wasserstoff^1,2. Wismut Oxyhalides BiOX (X = Cl, Br oder I) sind Kandidaten für solche Anwendungen aufgrund ihrer hohen photokatalytische Effizienz unter sichtbaren Licht oder simulierten Sonnenlicht Bestrahlung^3,4. Die Band Lücke Energie (E-_g) der Wismut Oxyhalides verringert sich mit der Zunahme der Ordnungszahl des das Halogenid; BiOI ist also das Material, die Anzeige der niedrigsten Aktivierungsenergie (E-_g = 1,8 eV)⁵. Jodid Atome, verbunden über Van-Der-Waals-Kraft, Wismut Atome, erstellen Sie ein elektrisches Feld, das die Migration der Ladungsträger, die Halbleiterfläche Auslösung der photokatalytischen Prozess^4,6begünstigt. Darüber hinaus hat die Architektur der Kristallit eine entscheidende Rolle in der Trennung, Tion der Ladungsträger. Hochorientierte Strukturen in der Ebene (001) und 3D (z. B. Mikrosphären) erleichtern die Ladungstrennung Träger nach Bestrahlung, Erhöhung der photokatalytischen Leistung^{7,8,9 , 10 , 11 , 12}. vor diesem Hintergrund ist es notwendig, entwickeln zuverlässige synthetischen Methoden, um Strukturen zu erhalten, die die Foto-Aktivität der Wismut Oxyhalide Materialien zu steigern.

Die Solvothermal-Methode ist bei weitem die am häufigsten verwendet und studierte Route BiOI Mikrosphären^13,14,15,16zu erhalten. Einige Methoden mit ionischen Flüssigkeiten wurden auch berichtet¹⁷, obwohl die Ausgaben im Zusammenhang mit diesen Methoden höher sein können. Mikrosphären Struktur ergibt sich in der Regel mit organischen Lösungsmitteln wie Ethylenglykol, fungiert als koordinierende Agent metallischen Alkoholate, wodurch eine schrittweise selbst-Montage [Bi₂O₂]^{2 +} Arten¹⁸ bilden ^{, 19}. über die Solvothermal-Route mit Ethylenglykol erleichtert die Ausbildung der verschiedenen Morphologien durch Veränderung der wichtigsten Parameter bei der Reaktion, wie z. B. Temperatur und Reaktionszeit^4,18. Es gibt eine breite Fülle an Literatur auf synthetische Methoden zu BiOI Mikrosphären, die gegensätzliche Informationen hoch photoaktiven Strukturen zu erreichen zeigt. Dieses ausführliche Protokoll zielt zeigt eine zuverlässige synthetische Methode BiOI Mikrosphären hochfunktionelle beim photokatalytischen Abbau von Schadstoffen im Wasser zu erhalten. Wollen wir helfen, neue Forscher erfolgreich erhalten diese Art von Materialien, die häufigsten Fallstricke, verbunden mit dem Syntheseprozess zu vermeiden.

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Protokoll

Hinweis: Bitte lesen Sie alle die Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor der Verwendung von chemischen Reagenzien. Befolgen Sie die Sicherheitsprotokolle durch das tragen einen Laborkittel und Handschuhen. Tragen Sie Schutzbrillen UV Schutz während der Photokatalyse-Tests. Beachten Sie, dass Nanomaterialien wichtigere gefährliche Auswirkungen im Vergleich zu ihren Vorläufern darstellen können.

1. Vorbereitung des BiOI Mikrosphären

1. Lösen Sie für Lösung 12,9104 g der Wismut Nitrat Pentahydrat (Bi (Nr.₃)₃∙5H₂O) in 60 mL Ethylenglykol in ein Becherglas auf. Lösung 2lösen sich in 0,9960 g Ki in 60 mL Ethylenglykol in ein Becherglas.
   Hinweis: Es ist wichtig die anorganischen Salze in organischen Lösungsmittel vollständig auflösen; Es dauert rund 60 min. Ultraschallbehandlung kann hilfreich sein, beide Vorstufen zu lösen.
2. Tropfenweise, fügen Sie Lösung 2 Lösung 1 (bei einer Durchflussrate von etwa 1 mL/min). Die farblose Lösung 2 ändert sich in eine gelbliche Suspension. Manchmal, wenn Lösung 2 ist abrupt hinzugefügt, eine schwarze Farbe erscheinen mag, durch die Bildung des Komplexes BiI₄^– . In solchen Fällen muss die Synthese abgebrochen und neu gestartet werden.
   Hinweis: Labormaterial muss vollständig getrocknet werden, da das Auftreten von Wasser die unkontrollierte Ausfällung von Bismut Oxid (Bi₂O_{3 fördert}).
3. Rühren Sie die Mischung, mit mäßiger Geschwindigkeit für 30 min bei Raumtemperatur. Übertragen Sie anschließend die Mischung auf eine 150 mL-Autoklaven-Reaktor. Vorsichtig schwenken den Becher um die verbleibenden Suspension aus den Seitenwänden zu entfernen. Es ist möglich, fügen Sie 1 bis 5 mL Ethylenglykol, die Becher zu spülen. Achten Sie darauf, den Reaktor wieder fest verschließen.
   Hinweis: Die Autoklaven sollte von 40 % auf 80 % seiner Kapazität zur Erreichung der optimale Druckbedingungen zur Bildung von BiOI Mikrosphären gefüllt werden. Eine weiche Dichtung des Reaktors kann der Druckverlust, die Synthese zu verderben führen.
4. Thermische Behandlung in den Reaktor in einem Ofen zu versorgen, von Raumtemperatur bis 126 ° C, mit einer Temperaturrampe von 2 ° C/min. halten die Endtemperatur für 18 h¹⁰. Dann kühlen Sie die Autoklaven-Reaktor auf Raumtemperatur.
   Hinweis: Heizen Sie den Backofen nicht oder bieten Sie eine schnelle Heizung, da es die Bildung von den Mikrosphären verderben wird.
   Achtung: Kein auslösen Sie Kühlung durch den Autoklaven mit kaltem Wasser waschen, da die Verformung des Autoklaven führen kann. Versuchen Sie nicht, den Reaktor zu öffnen, während es noch heiß ist, da dies die Freisetzung von Jod Gas führen kann.

2. Waschen die BiOI Mikrosphären

1. Trennen Sie das feste Material durch Dekantieren und waschen Sie es um Ethylenglykol so weit wie möglich zu entfernen. Bereiten Sie ein Filtersystem bestehend aus einem 0,8 μm Filterpapier (Klasse 5, frei von Asche) ordnungsgemäß an den Wänden von einem Glastrichter eingehalten. Schließen Sie an einen Erlenmeyerkolben mit einem durchbohrten Korken. Durchführen der Filtrationsschritt durch die Schwerkraft.
   1. (Optional) Wenn die Aufhängung aus dem Reaktor den Trichter gießen, verwenden Sie deionisiertes Wasser, spülen Sie den Autoklaven-Reaktor.
2. Waschen Sie das feste Produkt in das Filterpapier aufbewahrt – eine intensive orange Farbe – mehrmals mit destilliertem Wasser und absoluten Ethanol (technische Qualität). Wechseln Sie das Lösungsmittel waschen, bis das Sickerwasser farblos ist.
   Hinweis: Bitte beachten Sie, dass deionisiertes Wasser anorganische Ionen, entfernt während absolute Ethanol die restlichen Ethylenglykol entfernt; Daher müssen beide Lösungsmittel verwendet werden.
3. Verwenden Sie deionisiertes Wasser in den beiden letzten Waschschritte entfernen jede Spur von absoluten Ethanol und das intensive Orange gefärbten Produkt bei 80 ° C für 24 h trocknen. Schließlich speichern Sie das Material in Braunglas Flaschen, im Dunkeln, vorzugsweise in den Exsikkator gestellt.

3. Charakterisierung der BiOI Mikrosphären

1. Führen Sie die x-ray Diffraction Analyse des verwendeten Pulver, mit einer monochromen Cu-Kα Lichtquelle, mit λ = 1.5406 Å, betrieben um 30 kV und 15 mA.
2. Bestimmen Sie die spezifische Oberfläche von Brunauer, Emmett-Teller (BET)-Methode, über die Adsorption von N₂.
   1. Ausgasen des Pulvers Proben (500 mg) bei 80 vor der Analyse über Nacht. Messungen der N₂ Adsorption an - 75ºC. Berechnen Sie die spezifische Oberfläche und Porenvolumen von Adsorption isothermen.
3. Bestimmen Sie die UV-VIS diffuse Reflexion Spektren der Materialien mit einem Spektralphotometer mit einer Gottesanbeterin-Zubehör.
   1. Trocknen Sie die Pulverproben im Labor Ofen, bei 105ºC über Nacht. Dann legen Sie vorsichtig 30 mg in den Probenport der Gottesanbeterin Accessoire.
   2. Bestrahlen Pulverproben mit einer Lichtquelle im Bereich von 200 bis 800 nm um die leichte Absorptionsspektrum des Materials zu erhalten. Die Band Lücke Energie (Eg) mit dem Absorptionsspektrum der Probe berechnet.
4. Bestimmen Sie die sekundäre Größe die BiOI Mikrosphären durch Rasterelektronenmikroskopie.
   1. Setzen Sie die Pulver-Probe auf einem Carbon-Band und dann in der Mikroskop-Stub, die Beobachtungen durchzuführen.
   2. Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung der Proben durch Energie dispersiven Röntgen-Spektroskopie (EDS) Analyse.

4. die photokatalytische Aktivitätstest

1. Lösen Sie für die Lösung zu testen7,5 mg Ciprofloxacin in 250 mL destilliertem Wasser, eine 30 ppm-Lösung zu erhalten auf. Übertragen Sie anschließend die Testlösung auf Glas photokatalytische Reaktor. Rühren Sie gründlich die Lösung mit einem Magnetrührer, wobei die Temperatur bei 25 ° C. Blase Luft zur Lösung bei 100 mL/min um Sättigung der Luft zu halten.
2. Die Testlösung zu eine Konzentration von 0,25 g/L. sofort erreichen, nehmen die erste Probe (8 mL) mit einer Glasspritze fügen Sie 62,5 mg BiOI Photocatalyst hinzu. Nach 30 min rühren in der Dunkelheit die zweite Probe und die Lichtquelle einschalten.
   1. Angesichts der Tatsache, dass die Experimente unter UV-A/sichtbar Lichtverhältnissen durchgeführt werden, verwenden Sie eine 70 W Lampe in die Photokatalyse-Tests. Suchen Sie die Lichtquelle 5 cm oberhalb der Photoreactor.
3. Nehmen Sie flüssige Proben (8 mL) nach 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 und 300 min der Bestrahlung. Filtern der genommenen Proben nach Durchlaufen einer 0,22 µm-Nylon-Membran, um feste Teilchen aus der Flüssigkeit vor der Analyse zu entfernen. Speichern Sie die gefilterten Proben in Braunglas-Fläschchen bei 4 ° C bis zur Analyse.
4. Bestimmen Sie die Mineralisierung von Ciprofloxacin durch die Analyse des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) Konzentration noch in den flüssigen Proben während des photokatalytischen Prozesses.
   1. Messen Sie die Konzentration des gesamten Kohlenstoffs (TC, in mg/L) über nasse Verbrennung bei 720 ° C, im Beisein einer Pt-Katalysator und Luft-Atmosphäre. Unter solchen Bedingungen ist der Kohlenstoff oxidiert zu CO₂ und quantifiziert in ein FTIR-Detektor mit dem TOC-Gerät gekoppelt.
   2. Festzustellen Sie, die anorganischen Kohlenstoff-Konzentration (IC, in mg/L) über Versauerung von Proben mit 1 M HCl, führt zur Umwandlung von Karbonat und Bikarbonat und CO₂· H₂O, die in der FTIR-Detektor quantifiziert ist.
   3. Die Konzentration der TOC noch in Wasserproben durch die folgende Gleichung zu berechnen.
      
      Hinweis: Zur Vermeidung von Interferenzen und somit falsche Ergebnisse, ist es sehr wichtig, jede Spur von organischen Verunreinigungen zu entfernen, reinigen Sie gründlich alle das Glasmaterial in der Probenvorbereitung. Dies kann gerechtfertigt sein, indem Sie mehrmals mit heißem Wasser waschen.
   4. Berechnen Sie die Mineralisierung Ausbeute über die Erschöpfung des gesamten organischen Kohlenstoffs während der Reaktion unter Verwendung der Gleichung:
      
      Hier ist TOC_o die Konzentration des gesamten organischen Kohlenstoffs zu Jahresbeginn die Bestrahlung während TOC die Konzentration des gesamten organischen Kohlenstoffs zu jeder Tageszeit die photokatalytische Reaktion ist.

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Ergebnisse

3D Mikrostrukturen des BiOI wurden erfolgreich durch die vorgeschlagene synthetische Methode synthetisiert. Dies bestätigt die REM-Bilder dargestellt in Abbildung 1a–c. Die Mikrosphären werden von laminaren Strukturen [Bi₂O₂]^{2 +}, gebildet, die durch zwei Iodid Atome¹verbunden sind. Die Bildung von den Mikrosphären hängt die Temperatur und die Zeit des Solvothermal...

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Diskussion

Wir betrachten die Mischung der Ausgangsstoffe als der entscheidende Schritt bei der Solvothermal Synthese von BiOI Mikrosphären. Ein sehr langsam tropft der KI-Lösung in die Bi (Nr.₃)₃ -Lösung (bei einem Maximum von 1 mL/min) ist entscheidend für die mesoporösen Mikrosphären zu erhalten, da es die langsame Bildung ermöglicht und Selbstorganisation der [Bi₂O₂]^{+ 2} Platten , gefolgt von der Bindung an die Jodid-Atome bilden die BiOI Laminate. Die Lamellen sind d...

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Materialien

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