물 Depuration의 촉매 프로세스에 대 한 매우 기능적 비스무트 Oxyiodide 스피어를 손쉬운 합성 방법

요약

이 문서를 받는 고 기능 UV-A/표시 빛 조사에서 물에, ciprofloxacin 등 유기 오염 물질의 촉매 제거를 수행 하는 비스무트 oxyiodide 스피어 합성 방법을 설명 합니다.

초록

비스무트 oxyhalide (BiOI)은 햇빛-구동-환경 광 촉매에 대 한 유망 소재. 그 재료의이 종류의 물리적 구조는 높은 촉매 성능 관련, 그것은 가장 기능 아키텍처 및, 따라서, 높은 촉매를 얻기 위하여 합성 방법을 표준화 하는 데 필요한 효율성입니다. 여기, 우리는 템플릿으로 사용 하 여 Bi (₃)₃ 및 요오드 화 칼륨 (KI) 선구자, 및 에틸렌 글리콜으로는 solvothermal 과정을 통해 BiOI 스피어를 신뢰할 수 있는 경로 보고 합니다. 합성 18 h 126 ° C에서 150 mL 압력솥에서 표준화 이다. 2-3 µ m 크기의 mesoporous 스피어 관련 특정 표면 영역 (61.3 m²/g)와 함께 발생합니다. 더 높은 온도 촉매 성능에 아무런 영향 스피어의 다공성에 약간의 증가를 동안 비정 질 구조에 결과 합성에서 반응 시간을 단축. 자료 사진-액티브는 물에서 항생제 ciprofloxacin의 저하에 대 한 UV-A/표시 빛 방사선에서. 이 메서드는 연구실 테스트, 멕시코와 칠레 연구 그룹에서 유사한 BiOI 스피어를 얻기에 효과를 설명 했다.

서문

반도체의 과다는 지금까지 광 촉매에 대 한 표시 빛 방사선, 유기 화합물을 타락 하거나 신 재생 에너지 수소^1,2의 형태로 생성 아래 높은 활동 목표로 합성 되어 있다. 비스무트 oxyhalides BiOX (X = Cl, Br, I) 보이는 빛 또는 가상 햇빛 조사^3,4에서 그들의 높은 촉매 효율 때문에 이러한 응용 프로그램에 대 한 후보 있다. 비스무트 oxyhalides의 밴드 갭 에너지 (E_g); 할로겐의 원자 번호의 증가 함께 감소 따라서, BiOI는 가장 낮은 활성화 에너지를 표시 하는 자료 (E_g = 1.8 eV)⁵. 요오드 화물 원자, 창 연 원자, 반 데르 발스 힘을 통해 보 세 촉매 과정^4,6트리거링 반도체 표면에 전 하 운반자의 이동 호의 전기 필드를 만듭니다. 또한, 건축은 crystallite의 separa, 전 하 운반자의 기에에서 중요 한 역할을 하고있다. (001) 면에서 매우 지향된 구조와 (스피어) 같은 3D 구조는 방사선, 촉매 성능^7,,89 증가 시 요금 캐리어 분리를 용이 하 게 ^{, 10 , 11 , 12}.이 비추어 그것은 비스무트 oxyhalide 자료의 사진 활동을 강화 하는 구조를 신뢰할 수 있는 합성 방법을 개발 하는 데 필요한.

Solvothermal 메서드를 사용 하면, 훨씬, 가장 일반적으로 사용 이며 경로 BiOI 스피어^13,14,,1516를 공부. 이온 액체를 사용 하 여 일부 방법론 되었습니다 또한 보고¹⁷, 비록 이러한 방법론과 관련 된 비용이 높을 수 있습니다. 스피어 구조는 일반적으로 에틸렌 글리콜, 금속 alkoxides는 점진적 자체 조립 [Bi₂O₂]^{2 +} 종¹⁸ 의 결과 형성 하는 조정 에이전트 역할 같은 유기 용 매를 사용 하 여 얻어진 ^{, 19}. 반응 온도 반응 시간^4,18등에서 키 매개 변수를 변경 하 여 다른 형태학의 형성을 용이 하 게 에틸렌 글리콜 solvothermal 경로 사용 하 여. 다양 한 신체의 문학 BiOI 스피어, 높은 광 구조를 달성 하기 위해 대조 정보 표시를 합성 하는 방법에 있다. 이 상세한 프로토콜 신뢰할 수 있는 가상 메서드를 BiOI 스피어 높은 물에서 오염 물질의 촉매 저하에서 기능을 보여주는 목적 이다. 우리 새로운 연구 성공적으로 재료의이 종류를 얻을 수 있도록 합성 프로세스와 관련 된 가장 일반적인 함정을 피하는 것입니다.

프로토콜

참고: 화학 시 약을 사용 하기 전에 모든 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오. 실험실 외 투와 장갑을 착용 하 여 모든 안전 프로토콜을 따릅니다. 광 촉매 테스트 중 UV 보호 안전 유리를 착용 합니다. 나노가 그들의 선구자에 비해 중요 한 유해 효과 제공할 수 있습니다 다는 것을 유의 하십시오.

1입니다. BiOI 스피어의 준비

1. 솔루션 12.9104 g을 60 ml 유리 비 커에 에틸렌 글리콜의 비스무트 질산염 pentahydrate (Bi (₃)₃∙5H₂O)의 분해. 솔루션 2, 유리 비 커에 에틸렌 글리콜의 60 mL에 기의 0.9960 g을 분해.
   참고: 그것은 완전히 유기 용 매;에서 무기 염을 분해 하는 것이 중요 그것은 60 분 정도 걸릴 수 있습니다 쥡니다 두 선구자를 해산 하기 위해 도움이 될 수 있습니다.
2. Dropwise, (에서 약 1 mL/min의 유량) 솔루션 1 솔루션 2 를 추가 합니다. 솔루션 2 무색 노란 현 탁 액으로 변경 됩니다. 때때로 때 솔루션 2 는 갑자기 추가, 검은 색 나타날 수 있습니다, BiI₄^- 복합체의 형성 때문. 이러한 경우에 합성 해야 합니다 중단 되며 다시 시작.
   참고: 실험실 자료 해야 합니다 완전히 건조 물 발생 촉진 비스무트 산화물 (Bi₂O₃)의 통제 강수량 때문.
3. 실 온에서 30 분 동안 적당 한 속도 사용 하 여 혼합물을 저 어. 다음, 150 mL 고압 반응 기에 혼합 전송. 신중 하 게 나머지 정지는 측 벽에서 제거 하는 비이 커를 소용돌이 친다. 그것은 에틸렌 글리콜의 린스는 비 커를 1 ~ 5 mL을 추가 수 있습니다. 원자로 단단히 닫고 있는지 확인 합니다.
   참고: 오토 클레이 브 해야 채워질 40%에서 80%의 용량 BiOI 스피어의 형성에 최적의 압력 조건을 달성 하기 위하여. 반응 기의 부드러운 인감 망치고 합성 압력의 손실 될 수 있습니다.
4. 열 치료는 용광로에 원자로를 제공, 126 ° C로 실 온에서 2 ° C/분의 온도 램프를 사용 하 여 18 h¹⁰에 대 한 최종 온도 유지. 다음, 실내 온도에 고압 반응 기를 냉각 하십시오.
   참고: 오븐을 예 열 하거나 수 없습니다 그것은 스피어의 형성을 망치고 것 이다 이후 급속 한 난방을 제공.
   주의: 오토 클레이 브의 변형 발생할 수 있습니다으로 차가운 물으로 고압 세척 하 여 냉각을 유도 하지 마십시오. 이 요오드 화물 가스의 릴리스에서 발생할 수 있습니다 그것은 여전히 뜨거운, 하는 동안 원자로 열려고 하지 마십시오.

2. 세척 BiOI 스피어

1. 이동에 의해 고체 물질을 분리 하 고 에틸렌 글리콜 가능한 제거 하는 그것을 씻어. 0.8로 구성 된 여과 시스템을 준비 μ m 여과 지 (5 학년, 재 무료) 제대로 유리 퍼 널의 벽에 준수. 피어 싱된 코르크 마 개를 사용 하는 삼각 플라스 크에 연결 합니다. 중력에 의해 여과 단계를 수행 하십시오.
   1. (선택 사항) 깔때기에 원자로에서 서 스 펜 션, 붓는 때 이온된 수를 사용 하 여 고압 반응 기를 씻어.
2. 필터 종이에 유지 하는 견고한 제품 세척-강렬한 오렌지 색상의-여러 번와 증 류 물과 절대 에탄올 (기술 학년). 침은 무색이 될 때까지 세척 용 매를 대체.
   참고: 제발 note 이온된 수에 무기 이온 제거 동안 절대 에탄올 제거 나머지 에틸렌 글리콜; 따라서, 두 용 매를 사용 해야 합니다.
3. 절대 에타 놀의 흔적을 제거 하 고 24 시간에 80 ° C에서 강렬한 오렌지 색 제품을 건조 하 두 마지막 세척 단계에 있는 이온된 수를 사용 합니다. 마지막으로, a desiccator 선호에 어둠 속에서 호박 유리병에 자료를 저장.

3입니다. BiOI 스피어의 특성

1. 분말 소재, 단색 Cu-Kα 광원을 사용 하 여의 x 선 회절 분석을 수행, λ = 1.5406 Å, 30에서 운영 kV 및 15 mA.
2. N₂의 흡착을 통해 Brunauer-모트-텔러 (내기) 메서드에서 특정 표면 영역을 결정 합니다.
   1. 80ºC에서 샘플 (500mg) 분석 전에 하룻밤 분말 outgas -75ºC에서 N₂ 흡착 측정을 수행 합니다. 특정 표면적과 흡착 등온선에서 기 공 볼륨을 계산 합니다.
3. 사마귀 액세서리는 분 광 광도 계를 사용 하 여 재료의 UV 보이는 확산 반사율 스펙트럼을 결정 합니다.
   1. 건조 분말 샘플 105ºC 하룻밤에 실험실 오븐에서. 그럼, 신중 하 게 사마귀 액세서리의 샘플 포트에서 30 mg를 넣어.
   2. 분말 샘플 200 ~ 800의 범위 내에서 광원을 비추는 재료의 빛의 흡수 스펙트럼을 얻기 위하여 nm. 샘플의 흡수 스펙트럼을 사용 하 여 밴드 갭 에너지 (Eg)를 계산 합니다.
4. 전자 현미경 검사 법을 검색 하 여 BiOI 스피어의 보조 크기를 결정 합니다.
   1. 탄소 테이프 그리고 관측을 수행 하기 위해 현미경 스텁 파우더 샘플을 넣어.
   2. 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDS) 분석에 의해 샘플 화학 성분을 결정 합니다.

4. 촉매 활동 테스트

1. 솔루션 테스트를 위해 ciprofloxacin 30 ppm 솔루션을 얻기 위해 증류수 250 ml에서의 7.5 mg을 디졸브. 다음, 유리 촉매 반응 기를 테스트 솔루션을 전송. 철저 하 게 솔루션, 자력, 온도 25 ° c.에 유지와 저 어 거품 공기 공기 채도 유지 하기 위해 100 mL/min에서 솔루션.
2. BiOI 광 촉매의 62.5 mg 0.25 g/l.의 농도 즉시 달성, 유리 주사기를 사용 하 여 첫 번째 샘플 (8 mL)을 테스트 솔루션에 추가 합니다. 어둠 속에서 감동의 30 분 후 두 번째 샘플을 걸릴 하 고 광원을 켭니다.
   1. 그 실험은 UV-A/표시 조명 조건 하에서 수행 됩니다, 70 W 램프를 사용 하 여 광 촉매 테스트에서. 광원을 photoreactor 위에 5cm를 찾습니다.
3. 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 및 방사선의 300 분 후 액체 샘플 (8 mL)를 가져가 라. 분석 하기 전에 액체에서 고체 입자를 제거 하기 위해 0.22 μ m 나일론 막 그들을 통과 모든 철회 샘플을 필터링 합니다. 분석까지 4 ° C에서 호박색 유리 튜브에 필터링 된 샘플을 저장 합니다.
4. Ciprofloxacin의 강화 작용 촉매 과정을 통해 액체 샘플에 남아 있는 총 유기 탄소 (TOC) 농도 분석 하 여 결정 합니다.
   1. Pt 촉매와 공기 분위기의 720 ° C에서 습식된 연소를 통해 총 탄소 (TC, mg/L)의 농도 측정 합니다. 이러한 조건 하에서 모든 탄소는 CO₂ 로 산화 이며 목차 장치에 결합 하는 FTIR 검출기에 계량.
   2. 1 M HCl, CO₂· 탄산염과 중 탄산염의 변환에 지도 함께 샘플의 산성화를 통해 무기 탄소 농도 (IC, mg/L)을 결정 H₂O, FTIR 검출기에서 계량을 합니다.
   3. 목차 다음 방정식으로 물 샘플에 남아의 농도 계산 합니다.
      
      참고: 방해 하 고, 따라서, 잘못 된 결과 방지 하기 위해 그것은 매우 샘플 준비에 사용 되는 모든 유리 재료를 철저 하 게 청소 하 여 유기 불순물의 흔적을 제거 하는 것이 중요. 이 뜨거운 물으로 여러 번 세척 하 여 보증 될 수 있습니다.
   4. 총 유기 탄소 반응 방정식을 사용 하 여 전역의 소모를 통해 강화 수율을 계산:
      
      여기, 목차_o 목차는 언제 든 지 촉매 반응의 총 유기 탄소 농도의 방사선의 시작 부분에서 총 유기 탄소 농도 이다.

결과

BiOI의 3D 마이크로 구조 성공적으로 제안된 된 합성 방법에 의해 합성 되었다. 이것은 SEM 이미지 그림 1a-c에 표시에 의해 확인 되었다. 스피어 두 개의 요오드 화물 원자¹보 세 [Bi₂O₂]^{2 +}의 적 층 구조에서 형성 된다. 이러한 매개 변수는 oxyhalide^3,4...

토론

우리는 BiOI 스피어의 solvothermal 합성에 중요 한 단계로 선구자의 혼합을 고려합니다. (최대 1 mL/min)에서 Bi (₃)₃ 솔루션으로 기 솔루션의 매우 느리게 떨어지는 얻을 mesoporous 스피어, 이후 느린 형성 수 있도록 자기 집합 [Bi₂O₂]^{+ 2} 석판의 결정적 이다 BiOI 라미네이트를 요오드 화물 원자와 결합 하 여 다음. lamellae는 solvothermal 단계 (그림 1)?...

자료

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