home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Synergistische fotokatalytische adsorptieverwijdering van het basismagenta-effect van AgZnO/polyxometalaten nanocomposieten

Abstract

De bifunctionele fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/polyoxometalaten (AgZnO/POMs) nanocomposieten werden gesynthetiseerd door AgZnO hybride nanodeeltjes en polyoxometalaten te combineren [Cu(L)2 (H2 O)]H2 [Cu(L)2 (P2 Ma5 O23 )]⋅4H2 O (HL = C6 H6 N2 O) in nanostructuren via een sonochemische methode. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) gaf aan dat AgZnO / POMs-nanocomposieten uniform waren met een smalle deeltjesgrootteverdeling en zonder agglomeratie. Röntgenpoederdiffractie (XRD) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) analyse bevestigden de nanostructuur en samenstelling van AgZnO/POMs nanocomposieten. De ultraviolet-zichtbare spectra (UV-Vis) en fotoluminescentiespectra (PL) bevestigden uitstekende optische eigenschappen van de AgZnO/POMs-nanocomposieten. 94,13%  ± 0,61 basisch magenta (BM) in waterige oplossing kan worden verwijderd met behulp van de AgZnO/POMs-nanocomposieten door middel van adsorptie en fotokatalyse. De kinetische analyse toonde aan dat zowel het adsorptie- als het fotokatalyseproces voldoen aan pseudo-tweede-orde kinetiek. Bovendien bleek de verwijderingssnelheid van AgZnO/POMs-nanocomposieten bijna onveranderd te zijn na 5 gebruikscycli. De bifunctionele fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten met hoge stabiliteit en cyclische prestaties hebben brede toepassingsmogelijkheden bij de behandeling van vuurvast organisch kleurstofafvalwater dat trifenylmethaan bevat.

Inleiding

Met de ontwikkeling van de industrie heeft een grote hoeveelheid giftig en schadelijk organisch afvalwater een reeks milieuproblemen veroorzaakt, die de menselijke gezondheid ernstig bedreigen [1,2,3,4]. Basismagenta (BM) is een soort vuurvaste organische verontreinigende stof die trifenylmethaan bevat. BM wordt veel gebruikt als kleurstof in industrieën zoals textiel en leer en ook als kleurstof voor de vlek van collageen, tuberculose en spieren [5, 6]. Het moet dringend uit de waterige oplossing worden verwijderd omdat BM een grote bedreiging vormt voor de watervoorraden vanwege de slechte biologische afbreekbaarheid, toxiciteit en kankerverwekkendheid. Volgens de literatuur is de verwijderingsmethode van BM in waterige oplossing voornamelijk adsorptie [7, 8]. De toepassing van BM-kleurstofadsorbentia heeft echter de nadelen van een lage adsorptiecapaciteit, een lage kinetische snelheid en een laag herstelpotentieel. Het is nog steeds een uitdaging om een ​​schonere en effectievere methode te onderzoeken om BM uit een waterige oplossing te verwijderen.

Polyoxometalaten (POM's) zijn een klasse van veelbelovende adsorbentia en zijn toegepast in milieubescherming vanwege hun rijke samenstellingen en structuren, hoge thermische stabiliteit, instelbare zuurgraad en omkeerbare redox-eigenschappen [9,10,11,12,13]. Als adsorbens zijn POM's gebruikt om een ​​verscheidenheid aan materialen te synthetiseren om verschillende kleurstoffen uit waterige oplossingen te verwijderen [14,15,16,17]. Liu's onderzoeksgroep heeft Fe3 . gerapporteerd O4 /POM's nanomateriaal met goede adsorptieprestaties voor het verwijderen van kationische kleurstoffen, en Fe3 O4 /Ag/POM's nanomateriaal met snelle verwijdering van methylthioninechloride, wat aangeeft dat een effectievere verbetering van de kleurstofverwijdering kan worden verkregen door POM's en nanodeeltjes in een enkele entiteit te combineren door middel van nano-engineering [18, 19].

AgZnO hybride nanodeeltjes hebben een uitstekende fotokatalytische activiteit en worden veel gebruikt op het gebied van fotokatalyse. De toevoeging van Ag verbetert de fotokatalytische capaciteit van AgZnO en de efficiëntie van het ladingsgebruik en de fotochemische stabiliteit van ZnO [20,21,22,23,24]. Fotokatalytische activiteit van AgZnO-nanodeeltjes heeft een fotokatalytisch effect op kleurstoffen in waterige oplossing [25, 26]. Om een ​​effectieve en milieuvriendelijke methode te onderzoeken voor het verwijderen van BM-kleurstof in waterige oplossing, hebben we in dit artikel AgZnO hybride nanodeeltjes en POM's gecombineerd om bifunctionele fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten te verkrijgen (schema 1). De verwijderingsexperimenten van BM toonden aan dat fotokatalytisch-adsorberende AgZnO / POMs-nanocomposieten zowel adsorptie- als fotokatalytische effecten op BM in waterige oplossing bezaten met een opkomende hoge verwijderingsefficiëntie. De goede adsorptie, fotokatalytische activiteit en herbruikbaarheid van de nanocomposieten gaven aan dat de bifunctionele fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten gunstig zijn voor de bescherming van het milieu.

Methoden

De huidige studie was gericht op het verbeteren van de efficiëntieverwijdering van BM door AgZnO/POMs-nanocomposieten.

Materialen

Zilveracetaat (Agac, 99%, J&K Scientific), Zink(II)acetylacetonaat (Zn(acac)2 , 99,9%, J&K Scientific), PEO-PPO-PEO, n-octylether (99%), 1,2-hexadecaandiol (90%), koperperchloraat (Cu(ClO4 )2 ·6H2 O, 98%), natriummolybdaatdihydraat (Na2 MoO4 ·2H2 O, 99%), pyridinecarboxamide (C6 H6 N2 O, 98%) en NaOH (98%) werden gekocht bij het bedrijf Aladdin (Shanghai, China). Geen van de materialen werd verder gezuiverd.

Instrumenten

De structuur en morfologie van de fotokatalytische adsorberende AgZnO / POMs-nanocomposieten werden geanalyseerd door XRD (X'Pert Pro, Bruker, Duitsland) en TEM (JEM-2100 JEOL Ltd., Japan) inclusief HRTEM. De optische eigenschappen van fotokatalytisch adsorbens AgZnO / POM's nanocomposieten werden gekenmerkt door UV-Vis (Hitachi U4100, Japan) en PL-spectroscopie (Hitachi F7000, Japan). De FTIR-spectra van nanocomposieten werden geregistreerd met behulp van Avatar 360 FTIR-spectrometer (Nicolet Company, VS). De XPS werden uitgevoerd op een foto-elektronenspectrometer (Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250XI, Verenigde Staten) Al Kα Röntgenstraling gebruikt als excitatiebron.

Synthese van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

De AgZnO en polyoxometalaten [Cu(L)2 (H2 O)2 ]H2 [Cu(L)2 P2 Ma5 O23 ]·4H2 O (Cu-POM's)-monsters werden gesynthetiseerd met behulp van de methode die in de literatuur wordt vermeld [19, 21]. Ten eerste werden AgZnO hybride nanodeeltjes gesynthetiseerd door de nano-micro-emulsiemethode, 10 ml octylether, Zn(acac)2 (0,0989 g), 1,2-hexadecaandiol (0,6468 g), Agac (0,0259 g) en PEO-PPO-PEO (0,7874 g) werden toegevoegd aan een driehalskolf en het mengsel werd geroerd. Het mengsel werd verwarmd tot 125 °C, daarna werd de temperatuur snel verhoogd tot 280 °C en het experiment was voltooid. Toen de temperatuur was afgekoeld, werden de AgZnO hybride nanodeeltjes eruit gehaald en gewassen, waardoor pure AgZnO hybride nanodeeltjes werden verkregen. Ten tweede werden Cu-POM's gesynthetiseerd door hydrothermische methode en werden koperperchloraat (0,093 g), 2-pyridinecarboxamide (0,061 g) en 15 ml gedeïoniseerd water toegevoegd aan een beker, geroerd en gemengd. Toen de temperatuur werd afgekoeld tot kamertemperatuur, Na2 MoO4 ·2H2 O (0,24 g) en gedeïoniseerd water (10 ml) werden aan de oplossing toegevoegd en goed gemengd, en de pH werd op 3 gehouden. Het blauwe precipitaat Cu-POM's werd verkregen door filtratie. Ten derde werd een mengsel van reactanten verkregen door 50 mg POMs-poeders en 5 mg AgZnO hybride nanodeeltjes toe te voegen aan een beker met 5 ml water en 5 ml ethanol, ultrasoon behandeld om een ​​uniforme vloeistof te verkrijgen. Dit proces combineert de AgZnO hybride nanodeeltjes met Cu-POM's om nanostructuren te vormen. Ten slotte werden de monsters gedroogd om een ​​bifunctioneel AgZnO/POMs-nanocomposiet te verkrijgen met zowel fotokatalyse- als adsorptie-effecten.

Experiment voor het verwijderen van verf

De verwijderingsactiviteit werd onderzocht door de verwijderingsefficiëntie van BM uit een waterige oplossing te analyseren. In de experimentele verwijderingsstudie werden een 36 W UV-lamp (Philips, Nederland, die voornamelijk 365 nm uitstraalt) en een 500 W Xenon-lamp als lichtbron gebruikt. De kleurstof werd opgelost in water om een ​​waterige oplossing van 15 mg/L BM te bereiden (conditie bij kamertemperatuur, pH =-6,3). De 5 mg nanocomposieten werd toegevoegd aan 40 ml (15 mg/L) BM-oplossing voor experimenten. De oplossing werd magnetisch geroerd bij kamertemperatuur. Met verschillende tijdsintervallen werd ongeveer 5 ml oplossing verwijderd en 3 minuten gecentrifugeerd. De absorptiepiekintensiteit van BM bij de maximale golflengte van 545 nm werd geanalyseerd met een UV-Vis-spectrofotometer.

Statistische analyse

Statistische analyse werd samengesteld op basis van de resultaten verkregen uit ten minste drie onafhankelijke experimenten. Alle gegevens werden gepresenteerd als gemiddelden ± standaarddeviatie en statistisch vergeleken met behulp van eenrichtingsvariantieanalyse (ANOVA). Een p waarde kleiner dan 0,05 werd als statistisch significant beschouwd.

Resultaten en discussie

TEM-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

De deeltjesgrootteverdeling en morfologie van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten werden geanalyseerd met TEM en SEM. In Fig. 1a hebben de AgZnO / POMs-nanocomposieten een uniforme deeltjesgrootte zonder agglomeratie. Door de TEM-microfoto's van AgZnO / POM-nanocomposieten te meten, werd het histogram van de deeltjesgrootteverdeling verkregen. De gemiddelde deeltjesgrootte van AgZnO/POMs-nanocomposieten was ongeveer 19,5 nm, wat consistent was met de Gauss-verdeling. Figuur 1b toont het hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) beeld van AgZnO/POM's. Blijkbaar zijn de nanocomposieten verdeeld met zeer regelmatige roosters, waarbij de afstand van 1,44 A overeenkomt met het Ag (220)-vlak, terwijl de afstand van 2,47 A is toegewezen aan het ZnO-vlak (101). Een afstand van ongeveer 1 nm tussen de blauwe stippellijn en de groene stippellijn kan worden verdeeld met POM's [27]. Elementtoewijzing (Fig. 1c-k) bevestigde de verdeling van P, O, Ag, Cu, Mo, N, C en Zn in de AgZnO / POMs-nanocomposieten en toonde aan dat AgZnO en POM's gelijktijdig bestonden in AgZnO / POMs-nanocomposieten. De resultaten bevestigden de vorming van fotokatalytisch adsorbens AgZnO/POMs nanocomposieten.

een TEM-microfoto's en illustratie tonen een histogram van de deeltjesgrootte van AgZnO/POMs-nanocomposieten, b HRTEM van enkele AgZnO/POM's, c STEM-microfoto's en d –k overeenkomstige elementaire mappings van AgZnO/POMs nanocomposieten

XRD-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

De structuur van bereid fotokatalytisch adsorbens AgZnO/POMs nanocomposieten werd geanalyseerd met XRD. In Fig. 2c komen de diffractiepieken die worden gemarkeerd door de paarse kolomdiagrammen van AgZnO hybride nanodeeltjes bij 38,2 °, 44,4 °, 64,6 ° en 77,4 ° overeen met de karakteristieke pieken van Ag (JCPDS nr. 04-0783). De pieken gemarkeerd door de blauwe kolomdiagrammen bij 31,7°, 34,5°, 36,5°, 47,6°, 56,7°, 62,8° en 67,7° komen overeen met ZnO (JCPDS nr. 36-1451) karakteristieke diffractiepieken. De pieken bij 8,7 ° - 30,7 ° in figuur 2b zijn de diffractiepieken van POM's [19]. In het diffractiepatroon van fotokatalytische adsorberende AgZnO / POMs-nanocomposieten (figuur 2a), verschijnen de diffractiepieken van POM's (figuur 2b) en AgZnO hybride nanodeeltjes (figuur 2c) tegelijkertijd opnieuw. De resultaten bevestigden de vorming van AgZnO/POMs-nanocomposieten.

XRD-patronen van a AgZnO/POMs nanocomposieten, b POM's, c AgZnO hybride nanodeeltjes (de paarse en blauwe kolomdiagrammen zijn respectievelijk de kolomdiagrammen van Ag- en ZnO-gelabelde kaarten)

FTIR-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

De FTIR-spectra van AgZnO / POM's nanocomposieten, POM's en AgZnO hybride nanodeeltjes werden afgebeeld in Fig. 3a-c. Zoals weergegeven in Afb. 3a, is de trillingspiek op 3370 cm −1 wordt veroorzaakt door de H2 O waterstofbrug. De trillingspiek verschijnt in het interval van 1680–1133 cm −1 wordt toegeschreven aan het ligand 2-pyridinecarboxamide. De rektrilling van de P-O-binding verschijnt in het bereik van 1120–1008 cm −1 [28, 29]. De trillingspieken bij 905 cm −1 en 662 cm −1 worden toegeschreven aan de ν (Ma–Ooverbrugging ) binding en de ν (Mo–Oterminal ) obligatie, respectievelijk [29]. De karakteristieke absorptiepieken in POM's verschijnen op de kaart van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten. In figuur 3c, de sterke absorptie bij 512 cm −1 weerspiegelt duidelijk de vibratie van de Zn-O-binding, en de overeenkomstige piek verschijnt ook in figuur 3b [30]. De bovenstaande karakteristieke absorptiepieken komen ook voor in de FTIR-spectra van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten (figuur 3b), wat bevestigt dat de nanocomposieten zijn gesynthetiseerd.

FTIR-spectra van a POM's, b AgZnO/POMs nanocomposieten en c AgZnO hybride nanodeeltjes

XPS-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

In figuur 4 werd het XPS-spectrum gekalibreerd met C1s (284,8 eV). De pieken van C, O, N, P, Zn, Mo, Cu en Ag kunnen worden waargenomen vanuit het volledige spectrum van XPS (figuur 4a). In figuur 4b vertonen de AgZnO/POMs-nanocomposieten twee pieken van bindingsenergie bij ongeveer 1022 eV en 1045 eV, wat overeenkomt met de belangrijkste regio's van Zn 2p 3/2 en Zn 2p 1/2 [31]. De eerste piek wordt toegeschreven aan de Zn 2+ ion in het anoxische zinkoxide [32]. De pieken bij 367,2 eV en 373,2 eV (Fig. 4c) komen overeen met Ag 3d5/2 en 3d3/2 toestanden van metaal Ag. Vergeleken met bulkzilver (respectievelijk ongeveer 368,2 eV en 374,2 eV), worden de pieken van de Ag 3d-toestand significant overgedragen naar de lagere waarde van AgZnO hybride nanodeeltjes, die wordt toegeschreven aan contact tussen Ag en ZnO [33]. Afbeelding 4d toont pieken bij 934,9 eV en 954,7 eV, die zich in het energiegebied van Cu 2p3/2 bevinden en Cu 2p1/2 toegeschreven aan Cu 2+ , wat aangeeft dat Cu voornamelijk aanwezig is in de vorm van Cu 2+ [34, 35]. Afbeelding 4e toont pieken bij 133,2 en 134,1 eV, overeenkomend met de P–O-pieken van P 2p 3/2 en P 2p 1/2 , respectievelijk [36]. In figuur 4f worden pieken weergegeven bij 235,8 en 232,3 eV, wat overeenkomt met de belangrijkste regio's van Mo 3d 3/2 en Mo 3d 5/2 , wat aangeeft dat de valentie van Mo voornamelijk Mo 6+ . is [37]. Uit de analyse blijkt dat AgZnO/POM's nanocomposieten AgZnO en POM's bevatten.

XPS-spectra van AgZnO/POM's nanocomposieten a volledig spectrum, b Zn 2p kaart, c Ag 3d kaart, d Cu 2p kaart, e P 2p kaart, f Ma 3d kaart

UV–Vis-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

Het UV-Vis-absorptiespectrum van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten in waterige oplossing wordt getoond in Fig. 5. De AgZnO/POMs-nanocomposieten hebben vier absorptiebanden bij respectievelijk 209 nm, 260 nm, 365 nm en 380-420 nm. De absorptieband bij 365 nm is de karakteristieke absorptieband van ZnO [21]. De absorptie bij 380-420 nm onthult de hybridisatie van ZnO met Ag en de interfaciale elektroneninteractie tussen Ag en ZnO [38]. De absorptiebanden bij 209 nm en 260 nm worden toegeschreven aan POM's vanwege elektronenoverdracht van Oterminal → Mo en Ooverbrugging → Mo in POM's [19]. De resultaten laten zien dat de AgZnO/POMs nanocomposieten uitstekende optische eigenschappen hebben.

UV–Vis absorptiespectrum van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs nanocomposieten

PL-analyse van fotokatalytische adsorberende AgZnO/POM's nanocomposieten

De vaste fluorescentie-emissiespectra van fotokatalytisch-adsorberende AgZnO / POM-nanocomposieten werden gedetecteerd onder de excitatiegolflengte van respectievelijk 241 nm (figuur 6a) en 380 nm (figuur 6b). Zoals weergegeven in figuur 6a, hebben AgZnO/POMs-nanocomposieten een emissiepiek bij 393 nm, wat overeenkomt met de fluorescentie-emissiepieken in vaste toestand bij 393 nm van POM's [39]. Figuur 6b AgZnO/POMs-nanocomposieten toont drie emissiepieken bij respectievelijk 465 nm, 489 nm en 596 nm, overeenkomend met de emissiepieken van AgZnO hybride nanodeeltjes. De emissiepieken van blauw licht bij 465 nm en 489 nm worden meestal veroorzaakt door door foto's gegenereerde gaten van ZnO en de zuurstofvacatures die worden ingenomen door de nanocomposieten [40]. Over het algemeen wordt aangenomen dat de emissie bij ongeveer 596 nm wordt veroorzaakt door de recombinatie van elektronen en gaten in de valentieband in de diepe defectlaag van ZnO [41]. De resultaten laten zien dat de AgZnO/POMs nanocomposieten uitstekende optische eigenschappen hebben.

een Solide PL-emissiespectra van POM's en AgZnO/POM's met excitatiegolflengte λ ex = 241 nm, b Vaste PL-emissiespectra van AgZnO en AgZnO/POM's met excitatiegolflengte λ ex = 380 nm

Verwijderen van BM

De adsorptie en fotokatalytische activiteiten van AgZnO/POMs nanocomposieten werden bestudeerd door BM uit een waterige oplossing te verwijderen. In het BM-verwijderingsexperiment zijn de dosering van AgZnO / POM's en de concentratie van BM een zeer belangrijke parameter. Door een reeks optimalisatie-experimenten zijn de meest geschikte AgZnO/POMs-dosering en BM-concentratie respectievelijk 5 mg en 15 mg/L (aanvullend bestand 1:Fig. S1). Figuur 7a is de UV-Vis-absorptiespectra van een BM-oplossing die de AgZnO/POM-nanocomposieten met verschillende tussenpozen bevat. Figuur 7b toont een vergelijkende studie voor het verwijderen van BM in de aanwezigheid van (1) POM's, (2) AgZnO en (3) AgZnO/POM's nanocomposieten, waarbij de ordinaat C/C0 is , waarbij C de overeenkomstige concentratie van BM is op verschillende tijdsintervallen en C0 is de oorspronkelijke concentratie van BM. In combinatie met Fig. 7a en b kan worden waargenomen dat de absorptiepieksterkte van BM geleidelijk afneemt in 0-30 min, onveranderd blijft in 30-50 min voor het bereiken van adsorptie-evenwicht onder roeren in het donker, en vervolgens na 50 min afneemt met de toename van de bestraling met UV-licht, wat wijst op de adsorptie- en fotokatalyse-activiteiten van AgZnO / POM-nanocomposieten. Om het synergetische effect van fotokatalytische adsorptie te verifiëren, werd het verwijderingsexperiment van BM uit een waterige oplossing onderzocht met behulp van AgZnO / POM's, POM's en AgZnO met een hoeveelheid van 5 mg. Het verwijderingspercentage was respectievelijk 94,13% ± 0.61, 55.27% ± 0.83 en 73.77% ± 1.17. De verwijderingssnelheid van BM nam significant af met alleen POM's-adsorbens of alleen AgZnO-fotokatalysator in vergelijking met fotokatalytisch-adsorberende AgZnO / POM's (figuur 7b). Dit komt voornamelijk door het synergetische effect van AgZnO en POM's, en het synergetische effect kan worden onderverdeeld in twee aspecten:(1) In AgZnO/POM's kern-schaalstructuur kan de schaallaag (POM's) extreem gemakkelijk BM-moleculen adsorberen. Geadsorbeerde BM-moleculen zijn opgesloten rond de kern (AgZnO), wat gunstig is voor de volgende fotokatalytische afbraak; (2) de zuurstofrijke structuren van POM's kunnen de recombinatie van fotogegenereerde e voorkomen − en h + en de scheidingsefficiëntie verder verbeteren. Figuur 7c toont een vergelijkend histogram van de verwijdering van BM door POM's, AgZnO en AgZnO/POM's nanocomposieten onder respectievelijk UV-licht en Vis-bestraling. Het maakt niet uit onder UV- of zichtbaar lichtbestraling, de fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POM's hebben een hogere verwijderingsefficiëntie dan de adsorberende POM's en fotokatalysator AgZnO. Het verwijderingspercentage van AgZnO/POM's voor het verwijderen van BM is 94,13% ± 0.61, wat veel hoger is dan dat van POM's (55.27% ± 0.83) en AgZnO (73.77% ± 1.17) onder UV-lichtbestraling. Vergeleken met de recent gerapporteerde werken over het verwijderen van BM, vertonen de AgZnO/POM's betere prestaties dan de andere gevallen (aanvullend bestand 1:tabel S1). Bovendien kunnen AgZnO/POM's, behalve voor BM, ook gentiaanviolet (verwijderingspercentage:90,30% ± 0.58) en methyleenblauw (verwijderingspercentage:89.00% ±-1,00) uit een waterige oplossing verwijderen (aanvullend bestand 1:Fig. S2).

een UV–Vis-absorptiespectra van BM-oplossing die de AgZnO/POMs-nanocomposieten bevat, b verwijderingscurven van verschillende materialen voor het verwijderen van BM, curve:(1) POM's, (2) AgZnO, (3) AgZnO/POMs nanocomposieten (het experiment werd drie keer herhaald), c Histogram van de verwijdering van BM door POM's, AgZnO en AgZnO/POM's nanocomposieten onder UV- en Vis-bestraling (het experiment werd drie keer herhaald)

De N2 adsorptie-desorptie-isothermen van AgZnO-nanodeeltjes en fotokatalytisch-adsorberende AgZnO / POM-nanocomposieten werden bepaald met behulp van het automatische fysische / chemische adsorptie-apparaat. In Fig. 8 vertoonden beide monsters typische type IV isothermen, wat wijst op de aanwezigheid van mesoporeuze structuren [42]. Volgens de analyseresultaten van relatieve positie en hoogte van hysteresislussen (Fig. 8), is het specifieke oppervlak (BET) van AgZnO-nanodeeltjes (Fig. 8a) 28,682 m 2 /g en de INZET van AgZnO/POMs-nanocomposieten (Fig. 8b) is 33,535 m 2 /G. De resultaten geven aan dat de AgZnO/POMs-nanocomposieten die zijn verkregen door de combinatie van de twee een hoger specifiek oppervlak hebben, wat overeenkomt met de verbeterde adsorptieprestaties van het composiet onder donkere omstandigheden.

een N2 adsorptie-desorptie-isotherm van AgZnO hybride nanodeeltjes, b N2 adsorptie-desorptie-isotherm van AgZnO/POM's nanocomposiet

De pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde kinetische modellen werden gebruikt om de experimentele gegevens van AgZnO/POMs nanocomposieten te passen.

$${\text{ln}}\left( {q_{e} - q_{t} } \right) ={\text{ln}}q_{e} - k_{1} t$$ (1) $ $\frac{t}{{q_{t} }} =\frac{1}{{k_{2} \left( {q_{e} } \right)^{2} }} + \frac{t} {{q_{e} }}$$ (2)

In (1) en (2), q 0 is de hoeveelheid adsorptie bij t = 0, q e is de hoeveelheid adsorptie in evenwicht, q t is de hoeveelheid adsorptie op het moment t , k 1 en k 2 zijn respectievelijk de pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde kinetische snelheidsconstanten.

De kinetische grafieken van het verwijderen van BM door AgZnO/POMs-nanocomposieten worden getoond in Fig. 9 en de resultaten worden getoond in Tabel 1. De correlatiecoëfficiënt (R 2 ) van het pseudo-tweede-orde-model (0,9997 en 0,9736) was hoger dan die van het pseudo-eerste-orde-model (0,3471 en 0,9380) onder respectievelijk donker en UV-licht. Verder is een andere parameter, de resterende kwadratensom (SSR), die de foutwaarde aangeeft, kleiner in het pseudo-tweede-orde kinetische model. Daarom kan worden aangegeven dat zowel het adsorptieproces als het fotokatalyseproces van het verwijderen van BM door AgZnO / POM's nanocomposieten de pseudo-tweede-orde kinetiek volgden. De resultaten tonen aan dat de verwijderingssnelheid van AgZnO/POMs-nanocomposieten voornamelijk te wijten is aan de chemische adsorptie en het elektronenoverdrachtsvermogen van de composieten [27, 43].

De kinetische plots voor het verwijderen van BM door AgZnO/POMs nanocomposieten, a en b pseudo-eerste-orde kinetiek, c en d pseudo-tweede-orde kinetiek

De verwijdering van BM kan worden toegeschreven aan twee factoren:ten eerste, POM's als adsorbens om BM uit een waterige oplossing te adsorberen; ten tweede kunnen geadsorbeerde BM-moleculen worden afgebroken via AgZnO-fotokatalysator. Zoals getoond in Fig. 10, wanneer BM-moleculen worden geadsorbeerd en opgesloten rond de AgZnO via POM's, worden AgZnO-nanodeeltjes geëxciteerd door UV-licht, de fotogegenereerde e − en gat (h + ) wordt geproduceerd door ZnO (Ag fungeert als elektronenacceptor). Bovendien zijn de zuurstofrijke structuren van POM's ook gunstig voor het voorkomen van de recombinatie van fotogegenereerde e − en h + en zo de scheidingsefficiëntie verder te verbeteren. De fotogegenereerde e − kan reageren met chemisch geabsorbeerd zuurstofmolecuul om superoxideradicalen te vormen (˙O2 − ). Tegelijkertijd wordt de h + in de valentieband van ZnO reageert met hydroxylgroepen om hydroxylradicalen (˙OH) te vormen. De h + , ˙OH en ˙O2 − geproduceerd in het proces van fotokatalyse zijn cruciale stoffen voor de afbraak van BM [19, 27, 44]. Deze gecreëerde tussenproducten zijn zeer reactief (namelijk sterke oxidatie) en hebben het vermogen om de BM-kleurstof te oxideren tot CO2 , H2 O en enkele overeenkomstige eenvoudige verbindingen. Als gevolg hiervan wordt de verwijderingssnelheid van AgZnO / POM-nanocomposieten aanzienlijk verbeterd door de combinatie van AgZnO en POM's in een hele nano-engineering. De fotokatalytisch-adsorberende AgZnO/POMs-nanocomposieten zullen naar verwachting een nieuw type kleurstofverwijderaar zijn, die op efficiënte wijze aromatische organische kleurstoffen uit watervervuiling kan verwijderen, vooral voor BM. Om de vorming van vrije radicalen verder te bewijzen, werd bovendien reactieve zuurstofspecies (ROS) scavenger gebruikt om ROS te elimineren tijdens het fotokatalytische proces. 1, 4-Benzoquinon (BQ) en isopropanol (IPA) zijn vrije radicalen. De BQ en IPA kunnen snel O2 . opruimen − radicaal en ˙OH-radicaal, respectievelijk [45, 46]. Wanneer vrije radicalenvanger (BQ en IPA) werd toegevoegd aan een verwijderingsexperiment van BM, neemt de verwijderingssnelheid van BM significant af. Voor BQ + AgZnO/POM's daalt het verwijderingspercentage van BM van 94,13% ± 0,61 tot 52,17% ± 0,76. Voor IPA + AgZnO/POM's daalt het verwijderingspercentage van BM van 94,13% ± 0.61 tot 57.70% ± 0.70. Dergelijke resultaten impliceren de belangrijkste actieve stoffen (˙OH en ˙O2 − ) kan worden gegenereerd tijdens het verwijderen van BM uit AgZnO/POMs-nanocomposieten (aanvullend bestand 1:Fig. S3).

Schematische illustratie van verwijdering van BM door AgZnO/POMs nanocomposieten

Om de reproduceerbaarheid van de nanocomposieten voor het verwijderen van BM te onderzoeken, hebben we de AgZnO / POM-nanocomposieten verzameld en gewassen. De verzamelde nanocomposieten werden gebruikt om BM te verwijderen via vijf herhaalde experimenten onder dezelfde reactieomstandigheden. Zoals getoond in Fig. 11a, nam de verwijderingssnelheid van BM in AgZnO/POMs-nanocomposieten af ​​met slechts 7,33% (van 94,13% ±-0,61 tot 86,80% ±-1,58) na vijf cycli, de lichte vermindering zou kunnen corresponderen met het verlies van AgZnO/POM's nanocomposieten tijdens het wassen (gemiddeld herstelpercentage van AgZnO/POM's is 96,3%). Figuur 11b laat zien dat het FTIR-spectrum van de AgZnO/POMs-nanocomposieten voor en na de verwijdering van BM vergelijkbaar is. Het kon worden bewezen dat de nanocomposieten een goede stabiliteit en lichte weerstand tegen corrosie hebben (schema 1).

een Histogram van recycle-verwijdering BM gedurende 5 cycli (elk cyclusexperiment werd drie keer herhaald), b Vergelijking van FTIR-spectra van AgZnO/POMs-nanocomposieten voor en na 5 cycli

Schema van de synthese van de AgZnO/POMs nanocomposieten

Conclusies

In conclusion, the photocatalytic-adsorbent AgZnO/POMs nanocomposites were synthesized by combining AgZnO hybrid nanoparticles and POMs. The TEM and HRTEM showed that AgZnO/POMs nanocomposites were uniform with narrow particle size distribution and without agglomeration. The bifunctional photocatalytic-adsorbent AgZnO/POMs nanocomposites could effectively remove refractory BM from aqueous solution with removal efficiency of 94.13% ± 0.61 by adsorption and photocatalysis. The adsorption process and the photocatalytic process of AgZnO/POMs nanocomposites for removing BM followed the pseudo-second-order kinetics. The removal efficiency of AgZnO/POMs nanocomposites was found to be almost unchanged after 5 cycles of use, demonstrating that the nanocomposites have well stability in BM in aqueous solution. The FTIR spectra of AgZnO/POMs nanocomposites before and after BM removal are almost no change, further indicating the stability of nanocomposites. The bifunctional photocatalytic-adsorbent AgZnO/POMs nanocomposites have potential applications in the treatment of refractory organic dye wastewater containing triphenylmethane.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Data sharing is not applicable to this article as no datasets were generated or analyzed during the current study.

Afkortingen

AgZnO/POM:

AgZnO/polyoxometalates

POMs:

Polyoxometalates

HL:

C6 H6 N2 O

M:

Basic magenta

Agac:

Silver acetate

Zn(acac)2 :

Zinc(II) acetylacetonate

PEO-PPO-PEO:

Triblock copolymer poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)

Cu-POMs:

[Cu(L)2 (H2 O)2 ]H2 [Cu(L)2 P2 Mo5 O23 ]·4H2 O

TEM:

Transmission electron microscopy

HRTEM:

High-resolution transmission electron microscopy

SEM:

Scanning electron microscope

XRD:

X-ray powder diffraction

FTIR:

Fourier transform infrared

XPS:

X-ray photoelectron spectra

UV–vis:

Ultraviolet–visible spectra

PL:

Photoluminescence spectra

BET:

Specific surface area

R 2 :

Correlation coefficient

SSR:

Residual sum of squares

BQ:

1, 4-Benzoquinone

IPA:

Isopropanol


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Effect van ultraviolette bestraling op 4H-SiC PiN-diodes Kenmerken
    2. Oppervlakte-effect op olietransport in Nanochannel:een onderzoek naar moleculaire dynamiek
    3. Het effect van sulfaatanionen op de ultrafijne Titania-kiemvorming
    4. Effect van opsluiting op fotofysische eigenschappen van P3HT-ketens in PMMA-matrix
    5. Effect van polyethyleenglycol op de NiO-fotokathode
    6. Nieuwe nanocomposieten van polystyreen met polyaniline gedoteerd met laurylzwavelzuur
    7. Groot lateraal fotovoltaïsch effect in MoS2/GaAs heterojunctie
    8. Zichtbare, door licht aangedreven fotokatalytische prestaties van N-gedoteerde ZnO/g-C3N4-nanocomposieten
    9. Synergetisch effect van grafeen en MWCNT's op microstructuur en mechanische eigenschappen van Cu/Ti3SiC2/C nanocomposieten
    10. synergetische effecten van Ag-nanodeeltjes/BiV1-xMoxO4 met verbeterde fotokatalytische activiteit
    11. Magnetisch poly(N-isopropylacrylamide) nanocomposieten:effect van bereidingsmethode op antibacteriële eigenschappen