Эффективная фотокаталитическая деградация органических загрязнителей на наночастицах TiO2, модифицированных азотом и MoS2, под воздействием видимого света

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8845 (2023) Цитировать эту статью

206 Доступов

Подробности о метриках

Исследовать использование видимого света для улучшения фотокаталитического разложения органических загрязнителей в сточных водах. Легированные азотом нанокомпозиты сульфида титана и молибдена (НТМ НК) с различным массовым соотношением MoS2 (1, 2 и 3 мас.%), синтезированные твердотельным методом, применяются для фотодеградации метиленового синего (МБ) под воздействием видимого света. Синтезированные НТМ-композиты были охарактеризованы методами SEM, TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis, DRS и PL-спектроскопии. Результаты показали повышенную активность гибридных нанокристаллов НТМ в окислении МБ в воде под действием видимого света по сравнению с чистым TiO2. Фотокаталитическая эффективность образцов НТМ увеличивалась с увеличением содержания MoS2. Результаты показывают, что эффективность фотодеградации соединения TiO2 улучшилась с 13 до 82% в присутствии N-TiO2 и до 99% в присутствии MoS2, содержащего N-TiO2, что в 7,61 раза выше, чем у TiO2. Результаты оптических характеристик показывают повышенное поглощение нанокомпозита в видимой области с большим временем жизни между e/h+ при оптимальном соотношении N-TiO2/MoS2 (NTM2). Многоразовые эксперименты показали, что приготовленные фотокатализаторы NTM NC были стабильны во время фотодеградации МБ и имели практическое применение для восстановления окружающей среды.

В текстильной, бумажной, косметической, фармацевтической и пищевой промышленности широко используются цветные красители 1,2,3. По определенным причинам воду, загрязненную красителями, особенно в текстильной промышленности, сложно очистить. Большинство этих цветных красителей имеют синтетическое происхождение и обычно состоят из ароматических колец в своей молекулярной структуре, инертны и не поддаются биоразложению при сбросе в сточные воды без надлежащей очистки4,5. Поэтому удаление таких красителей из загрязненной воды крайне актуально с точки зрения защиты здоровья человека и ресурсов окружающей среды. 6. Метиленовый синий (МБ), наиболее часто используемый базовый краситель, как полагают, имеет множество применений в полиграфической и красильной промышленности 7. По данным Согласно отчету, на долю текстильной промышленности приходится около 67% рынка и/или потребления красителей, при этом на каждую тонну произведенного волокна сбрасывается 120 кубических метров промышленных сточных вод. Несмотря на важность БМ во многих отраслях, его присутствие в окружающей среде и здоровье человека может быть поставлено под угрозу, если не контролировать его эффективно. В котором МБ является канцерогенным и не разлагается из-за характерной стабильности ароматических колец в молекулярной структуре МБ. Традиционные биологические, химические и физические методы, такие как адсорбция и химическое осаждение, признаны для очистки сточных вод красителей. Эти методы являются дорогостоящими, образуют осадок или вторичные загрязнители, такие как адсорбция красителя на активированном угле, когда загрязняющее вещество переходит только из жидкой фазы в твердую фазу, вызывая загрязнение. вторичная инфекция. Соответственно, разложение красителей на нетоксичные соединения имеет важное значение и рекомендуется 8,9,10,11. Усовершенствованные процессы окисления (АОП) в настоящее время привлекают большое внимание в области очистки воды 12. Чтобы продлить срок службы фотогенерированных электронно-дырочных пар, используются гибридные фотокатализаторы, состоящие из полупроводниковых гетеропереходов 14,15. Полупроводники использовались в АОП для фотокаталитического разложения органических загрязнителей, особенно тех, которые способны поглощать видимый свет, из-за их запрещенной зоны 13,14,15,16,17,18. Среди фотокаталитических полупроводников большой интерес вызывает диоксид титана (TiO2) из-за его способности легко разлагать органические загрязнители, сильной окислительной способности, низкой токсичности, химической стабильности, низкой стоимости и доступности19,20. Фотокаталитические характеристики TiO2 в основном определяются временем жизни фотогенерированных электронно-дырочных пар, но высокая скорость рекомбинации электронно-дырочных пар в TiO2 ограничивает его применение в фотокатализе21. Чтобы продлить время жизни фотогенерированных электронно-дырочных пар, гибридные фотокатализаторы, состоящие из полупроводников, гетеропереходы должны подавлять быструю скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда 22,23. В связи с этим было предпринято много усилий для уменьшения ширины запрещенной зоны и улучшения его фотокаталитической активности 24,25. Признанным материалом для расширения диапазона фотоответа на видимый свет является легирование TiO2 неметаллической примесью азота 26,27. Сочетание TiO2 и азота на разных энергетических уровнях повышает эффективность электрон-дырочного разделения и повышает эффективность фотокаталитической реакции. Более того, комбинируя TiO2 с другими полупроводниками с запрещенной зоной, такими как MoS2, можно создавать гетерогенные фотокатализаторы. MoS2 — нетоксичный, высокостабильный, сильный окислитель и относительно недорогой материал. Благодаря большой площади поверхности MoS2 может выступать в качестве превосходного катализатора для N-TiO228,29. MoS2 демонстрирует настраиваемую полосу пропускания, зависящую от слоя, непрямую полосу пропускания 1,2 эВ, прямую полосу пропускания 1,9 эВ и высокую теоретическую каталитическую активность 30,31. Из-за своей запрещенной зоны полупроводники используются в АОП для фотокаталитического разложения органических загрязнителей, особенно тех, которые способны поглощать видимый свет. Объединение N-TiO2 и MoS2 на разных энергетических уровнях повышает эффективность разделения электронов и дырок и повышает эффективность фотокаталитическая реакция 32,33. Представленная здесь работа посвящена фоторазложению под действием видимого света загрязняющих веществ красителей, в частности красителей метиленового синего (МБ), до экологически чистых CO2 и H2O. новый гетеронанокомпозит N-TiO2/MoS2 (NTM) в качестве фотокатализатора с использованием твердотельного метода с низкотемпературным синтезом, экономической эффективностью и легким контролем кинетики реакции по сравнению с другими методами. Кроме того, физико-химические свойства полученных образцов были тщательно исследованы с целью обнаружения превосходной фотокаталитической активности в отношении разложения МБ под действием видимого света по сравнению с чистым TiO2. Синтезированный НТМ оказался эффективным фотокатализатором для применения в защите окружающей среды.