שיטה סינתטית נתיישב כדי להשיג Oxyiodide Microspheres ביסמוט פונקציונליים מאוד עבור תהליכי Photocatalytic מים Depuration

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 מימן^1,2. ביסמוט oxyhalides BiOX (X = קלרנית, Br או אני) הם מועמדים עבור יישומים כגון בגלל היעילות שלהם גבוהה photocatalytic תחת שמש בהיר או מדומה גלוי הקרנה^3,4. האנרגיה הפער הלהקה (E_g) של ביסמוט oxyhalides יורדת עם העלייה של המספר האטומי של הליד; לפיכך, BiOI הוא החומר הצגת אנרגיית השפעול הנמוך (E_g = 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 photocatalytic^4,6. 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, הגדלת^{8,9 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 microspheres^13,14,15,16. 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 +} מינים^{18 , 19}. באמצעות המסלול solvothermal עם אתילן גליקול מקלה על היווצרות מורפולוגיות שונות על-ידי שינוי מפתח הפרמטרים התגובה, כגון טמפרטורה וזמן תגובה^4,18. 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.

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

1. 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.
2. . 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).
3. 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.
4. 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

1. 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.
   1. (אופציונלי) כאשר מוזג את המתלים של הכור כדי המשפך, להשתמש במים יונים לשטוף את הכור אוטוקלב.
2. 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.
3. 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

1. לבצע ניתוח קרני רנטגן של החומר אבקת, באמצעות מקור אור monochromic Cu-Kα, עם λ = 1.5406, פעלו 30 kV ו-15 mA.
2. לקבוע את פני השטח ספציפית על ידי שיטת מן המלון – אמט – טלר (ב'), דרך ספיחה של N₂.
   1. 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.
3. לקבוע ספקטרום ' מאטום לשקוף ' השתקפות UV הגלוי של החומרים באמצעות ספקטרופוטומטרים עם אביזר גמל.
   1. יבש הדגימות אבקת, בתנור מעבדה, ב- 105ºC בין לילה. . אז, בזהירות לשים 30 מ"ג בנמל הדגימה של האביזר גמל.
   2. 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.
4. לקבוע את גודל המשני של microspheres BiOI על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים.
   1. שים המדגם אבקה על קלטת פחמן ואז ב- stub של מיקרוסקופ לביצוע התצפיות.
   2. לקבוע את ההרכב הכימי של הדגימות על ידי ניתוח ספקטרוסקופיה (EDS) רנטגן ואנליזת אנרגיה.

4. Photocatalytic פעילות מבחן

1. 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.
2. 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.
   1. 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.
3. 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.
4. לקבוע את מינרליזציה של ציפרופלוקסאצין על-ידי ניתוח ריכוז פחמן אורגני הכולל (TOC) הנותרים בדגימות הנוזל לאורך כל תהליך photocatalytic.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. לחשב את התשואה מינרליזציה ויה דלדול של פחמן אורגני הכולל לאורך כל התגובה באמצעות המשוואה:
      
      כאן, תוכן עניינים_o הוא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בתחילת ההקרנות, בעוד תוכן העניינים נמצא הריכוז של פחמן אורגני הכולל בכל זמן התגובה photocatalytic.

תוצאות

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 טמ?...

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 ?...

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