水洗水の光触媒プロセスのビスマス Oxyiodide 微粒子高機能を取得する簡便な合成法

要約

この資料では、ビスマス oxyiodide 微粒子は、非常に紫外線 A/可視光照射下で水で、シプロフロキサシンなどの有機汚染物質の光触媒の除去を実行する機能を取得する合成法について説明します。

要約

Oxyhalide ビスマス (BiOI) は、日光-駆動-環境触媒有望な材料です。最も機能的なアーキテクチャと、したがって、最高の光触媒を得るために合成法を標準化する必要があることを考えると材料のこの種の物理的な構造は、その光触媒作用に関連性の高い、効率。ここでは、前駆体とエチレング リコール (₃) 双₃とヨウ化カリウム (KI) をテンプレートとして使用してソルボサーマル プロセスを介して BiOI 微小球を取得する信頼性の高いルートを報告します。合成は、126 ° C、18 h での 150 mL オートクレーブで標準化されます。2-3 μ m サイズの多孔質微粒子、関連性の高い比表面積 (61.3 m²/g) とでこの結果します。高い温度は光触媒性能の効果がない、微粒子の気孔率のわずかな増加をもたらす一方、非晶質の構造の結果合成における反応時間の短縮します。材料は、写真活性水に抗生物質シプロフロキサシンの劣化の UV-A/可視光照射下。このメソッドは、技能テスト、メキシコやチリの研究グループのような BiOI 微粒子を得ることで有効であること示しています。

概要

光触媒可視光照射、有機化合物を低下させる、または水素^1,2の形で再生可能エネルギーを生成するための下で高活性を目指してと、半導体の茄多は、これまで合成されています。標準ハロゲン酸化物ビスマス ビスマス (X = Cl、Br、) このようなアプリケーションのための候補者は、可視光やシミュレートされた日光照射^3,4の下で、高い光触媒効率のため。ビスマス標準ハロゲン酸化物のバンド ギャップ エネルギー (E_g) のハロゲン化物の原子番号の増加とともに減少します。したがって、BiOI は最も低い活発化エネルギーを表示する材料 (E_g = 1.8 eV)⁵。Van der Waals 力ビスマス原子を介して結合ヨウ素原子は光触媒プロセス^4,6のトリガー半導体表面に電荷キャリアの移行を支持する電界を作成します。また、結晶のアーキテクチャでは、ろ過、電荷キャリアのグローバリゼ-ションが重要な役割。(001) 面上における高配向構造と立体構造 (微粒子) など照射、光触媒性能^7,8,9を増やす時に電荷キャリアの分離を容易にします。^,10,11,12です。 このため、ビスマス oxyhalide 材料の写真活動を高める構造を取得する信頼性の高い合成法を開発する必要があります。

ソルボサーマル法は、はるかに、最もよく使用される、BiOI 微小球^13,14,15,16を取得するルートを検討します。これらの方法に関連付けられている費用が高くなることがイオン液体を用いたいくつかの方法論はまた報告された¹⁷でされています。微粒子構造が [Bi₂O₂]^{2 +}種¹⁸の段階的な自己組織に生じる金属アルコキシドを形成する調整エージェントとして機能するエチレング リコール等の有機溶剤を用いて得られる通常^,19. 反応温度および反応時間^4,18などの重要なパラメーターを変更して異なる形態の形成を容易にエチレング リコールのソルボサーマル ルートを使用します。BiOI 微粒子は、高い光活性構造を達成するために対照的な情報が表示されますを取得する合成法に関する文献は広いからだ。この詳細なプロトコルは、BiOI 微粒子水の汚染物質の光触媒分解の高機能を取得する信頼性の高い合成法を示すが目的します。合成プロセスに関連付けられている最も一般的な落とし穴を回避する正常に材料のこの種を取得する新しい研究者を支援していきます。

プロトコル

注: は、化学の試薬を使用する前にすべての化学物質安全性データ シート (MSDS) をお読みください。実験用の上着と手袋を着用してすべての安全手順に従ってください。光触媒テスト中に UV 保護安全メガネを着用します。ナノ材料がその前駆体と比較して重要な有害な影響を提示可能性があります注意してください。

1. BiOI 粒子の調製

1. 解決策 1、ビスマス硝酸五水和物 (Bi (₃)₃∙5H₂O) ガラス ビーカーにエチレング リコールの 60 mL に 2.9104 g を解散します。解決策 2、ガラス ビーカーにエチレング リコールの 60 mL に氣の 0.9960 g を解散します。
   注: それは完全に有機溶媒に塩を溶解することが重要約 60 分かかることがあります超音波処理は両方の前駆物質を溶解する役に立つかもしれません。
2. 滴下、ソリューション 1に (約 1 mL/min の流量) でソリューション 2を追加します。無色の解決策 2は黄色の懸濁液に変更されます。場合によっては、ソリューション 2が突然追加、ブラック カラーが表示され、BiI₄^-複合体の形成のため。このような場合、合成を中止し、再度開始する必要があります。
   注: 水の酸化ビスマス (Bi₂O₃) の自由な析出を促進するため実験材料が完全に乾燥する必要があります。
3. 室温で 30 分の適度な速度を使用して混合物をかき混ぜなさい。その後、150 mL オートクレーブ反応器に混合物を転送します。慎重に側壁から残りの懸濁液を削除するビーカーを旋回します。ビーカーを洗浄するエチレング リコールの 1 に 5 mL を追加することが可能です。原子炉をしっかりと閉じることを確認します。
   注: オートクレーブは 40% から BiOI 微粒子の形成に最適な圧力条件を達成するためにその容量の 80% を記入する必要があります。原子炉の柔らかいシール圧力、合成を台無しの損失可能性があります。
4. 熱処理炉の原子炉を供給、126 ° C、常温から 2 ° C/分の温度ランプを使用して 18 h¹⁰最終的な温度を維持します。部屋の温度にオートクレーブ原子炉を冷却します。
   注: いないオーブンかそれが台無しに、微粒子の形成以来、急速な暖房を提供します。
   注意: は、オートクレーブの変形を招くので、冷たい水のオートクレーブを洗浄することにより冷却を誘発しません。ヨウ素ガスの放出がありますので、それがまだ熱いうちに原子炉を開くしようとしないでください。

2. BiOI 微粒子の洗浄

1. デカンテーションによって固形物を分離、エチレング リコールのできるだけ多くを取除くためにそれを洗ってください。0.8 から成るろ過システムを準備 μ m フィルター紙 (グレード 5、灰の無料) はきちんとガラス漏斗の壁に付着します。ピアスのコルク栓を使用して三角フラスコに接続します。重力によってろ過のステップを実行します。
   1. (省略可能)原子炉から漏斗に懸濁液を注ぐときは、オートクレーブの原子炉を洗浄するのに脱イオン水を使用します。
2. 紙フィルターで保持される強固な製品を洗う-強烈なオレンジ色の-数回の蒸留水と無水エタノール (技術的な等級)。浸出水が無色になるまで洗浄溶剤を代替します。
   注: 無水エタノールは削除されますが残りのエチレング リコール;、脱イオン水は無機イオンを削除されることに注意してください。したがって、両方の溶媒を使用する必要があります。
3. 無水エタノールの痕跡を削除し、80 ° C 24 時間で強烈なオレンジ色の製品を乾燥する 2 つの最後の洗浄のステップの脱イオン水を使用します。最後に、琥珀色のガラス瓶、乾燥器で好ましく、暗闇の中に材料を格納します。

3. BiOI 微粒子のキャラクタリゼーション

1. モノクロームの Cu k α 光源を用いた粉体の x 線回折分析を実行、λ = 1.5406 Å、運営 30 kV と 15 mA。
2. N₂の吸着によるブルナウア ・ エメット-テラー (ベット) による比表面積を決定します。
   1. 80 ° c で (500 mg) のサンプルは、分析の前に一晩粉末をアウトガスします。75ºC で N₂吸着測定を実行します。比表面積と吸着等温線から細孔容積を計算します。
3. 分光光度計を用いたカマキリ アクセサリー材料の紫外可視の拡散反射スペクトルを決定します。
   1. 研究所オーブン、一晩 105 ° c で、粉末試料を乾燥させます。その後、カマキリ アクセサリーのサンプル ポートで 30 mg を慎重に。
   2. 200 に 800 の範囲内の光源を持つ粉末試料を照射材料の光の吸収スペクトルを得るために nm。試料の吸収スペクトルを用いたバンド ギャップ エネルギー (Eg) を計算します。
4. 走査型電子顕微鏡による BiOI 微粒子のセカンダリのサイズを決定します。
   1. カーボン テープにし観察を行う顕微鏡スタブでは、粉末試料を置きます。
   2. エネルギー分散型 x 線分光法 (EDS) による試料の化学組成を決定します。

4. 光触媒活性評価

1. ソリューションをテストして、250 mL の蒸留水 30 ppm ソリューションを取得するにシプロフロキサシンの 7.5 mg を解散します。その後、ガラスの光触媒反応にテスト ソリューションを転送します。徹底的に磁性攪拌器、25 ° C の温度を保つことでソリューションをかき混ぜる100 mL/min 空気飽和度を維持するために、ソリューションにバブルの空気。
2. BiOI 光触媒の 62.5 mg をすぐに 0.25 g/L の濃度を達成するため、ガラス製の注射器を使用して最初のサンプル (8 mL) を取るテスト ソリューションに追加します。暗闇の中で攪拌しながらの 30 分は後、2 番目のサンプルを取るし、光源をオンにします。
   1. 考えると紫外線 A/可視光条件下での実験を行い、光触媒テストで 70 W ランプを使用します。5 cm、触媒反応管上の光のソースを探します。
3. 5、10、15、20、30、45、60、90、120, 180, 240, と照射の 300 分後 (8 mL) の液体のサンプルを取る。分析の前に液体からの固体粒子を除去するために 0.22 μ m のナイロン膜を介してそれらを渡すことによって取り下げられたすべてのサンプルをフィルターします。解析まで 4 ° C で琥珀色のガラス瓶でフィルターが適用されたサンプルを格納します。
4. シプロフロキサシンの鉱化作用を光触媒プロセス全体にわたって液体のサンプルの残り全有機炭素 (TOC) の濃度を分析することによって決定します。
   1. 720 ° c、白金触媒と空気雰囲気の存在下で湿式燃焼を介して総カーボン (TC、mg/l) の濃度を測定します。このような条件の下ですべての炭素は酸化 CO₂に、TOC デバイスと結合した FTIR 検出器における定量化します。
   2. CO₂· への炭酸塩と重炭酸塩の転換につながる、1 M HCl でサンプルの酸性化による無機炭素濃度 (mg/L では IC) を決定します。H₂O、FTIR 検出器における定量化。
   3. 景徳鎮次式により残りの水試料中の濃度を計算します。
      
      注: 干渉と、したがって、誤った結果を回避するために非常に重要だサンプル準備で使用されるすべてのガラス材料を徹底的に掃除して有機不純物の任意のトレースを削除するにはこれは、お湯で何度か洗濯によって正当化されるかもしれない。
   4. 方程式を用いた反応中の全有機炭素の枯渇による無機化収量を計算します。
      
      ここでは、TOC_o目次はいつでも光触媒反応の全有機炭素の濃度、照射の初めに全有機炭素の濃度であります。

結果

BiOI の 3 D 微細構造を正常に合成手法で合成しました。これは、図 1 a-cに示すように SEM 画像で確認されました。マイクロスフィアは、2 つのヨウ素原子¹によって接着されているの [Bi₂O₂]^{2 +}、層流の構造から形成されます。マイクロスフィアの形成は、これらのパラメーターを支?...

ディスカッション

BiOI 微小球のソルボサーマル合成における重要なステップとして、前駆体の混合物と考えています。(最大 1 mL/分)、Bi (₃)₃ソリューションに KI ソリューションの非常に遅い滴り落ちるがそれは低速の形成を可能にするのでと自己集合 [Bi₂O₂]⁺²スラブ メソポーラスシリカ球を取得することが重要、BiOI 積層板を形成するヨウ化原子の結合によって続いた。?...

資料

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