Toepassing van chemisch geëxfolieerde boornitride-nanobladen gedoteerd met Co om organische verontreinigende stoffen snel uit textielwater te verwijderen

Resultaten en discussie

XRD werd gebruikt om de fase en kristalstructuur van bereide monsters te analyseren, zoals geïllustreerd in Fig. 3a. Diffractiepieken werden waargenomen bij 26,8°, 41,6°, 43,52° en 50,2° die respectievelijk werden geïndexeerd als (002), (100), (101) en (102) vlakken. Waargenomen reflecties bevestigen de aanwezigheid van een hexagonale fase van BN en komen goed overeen met JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Het is vermeldenswaard dat de karakteristieke piekintensiteit van puur naar gedoteerd monster toeneemt, wat suggereert dat de kristalliniteit werd verbeterd met de opname van Co. Bovendien duiden XRD-patronen op een piekverschuiving naar een hogere diffractiehoek, die wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van doteringsmiddel in de exemplaren [40]. Tussenlaagafstand d ₀₀₂ berekend met behulp van de wet van Bragg (nλ = 2dsinθ) was ~ 0.34 nm, wat consistent is met HR-TEM-resultaten [41].

een XRD-patronen van ongerepte en verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) van Co-gedoteerde BN-NS. b FTIR-spectra

FTIR werd uitgevoerd om IR-vingerafdrukken in controle en gedoteerde nanosheets te identificeren, zoals geïllustreerd in Fig. 3d. Spectra werden waargenomen bij ~ 808, 1020, 1160, 1370, 1672 en 3187 cm ⁻¹ . Er werden twee kernpieken geïdentificeerd op 808 en 1370 cm ⁻¹ waarvan wordt gedacht dat ze geassocieerd zijn met B-N-B (buigtrillingen) en B-N (rektrillingen). De laatste piek wordt geassocieerd met buigtrilling A_2u modus (out-plane) terwijl de voormalige piek goed samenvalt met rektrilling E_1u modus (in het vlak) [42, 43]. Verder pieken bij 1020, 1160 en 1672 cm ⁻¹ waren consistent met respectievelijk C–O, B–N–O en C=O binding [44]. Nog een piek gecentreerd op 3187 cm ⁻¹ komt overeen met de B-OH-binding [45, 46].

De identificatie van structurele vingerafdrukken werd uitgevoerd door Raman-spectra, zoals geïllustreerd in figuur 4a. Spectra tonen karakteristieke Raman-band gecentreerd op 1370 cm ⁻¹ die wordt toegeschreven aan E_2g actieve fonon-modus van h-BN en gecorreleerd met de G-piek van grafeen [47]. Geëxfolieerde BN-NS vertonen kleine pieken bij 550 en 880 cm ⁻¹ wat wordt toegeschreven aan een fluorescerende achtergrond [48]. Bovendien wordt in de literatuur gerapporteerd dat monokristal h-BN van hoge kwaliteit E_2g vertoont. actieve fonon-modus op 1367 cm ⁻¹ [40]. In deze studie, roodverschoven E_2g actieve fonon-modus treedt op als gevolg van vage interactie tussen tussenlagen van BN. Bovendien laten roodverschoven Raman-spectra de aanwezigheid zien van enkele gelaagde nanosheets, die een lichte verlenging veroorzaken binnen boor- en stikstofbindingen (B-N) [49, 50]. Bijgevolg is deze verlenging in B-N-binding te wijten aan de verzachting van fononen en komt deze goed overeen met eerder genoemde resultaten. Bovendien kunnen elementaire dotering, ordening van gestapelde lagen, domeingrootte en porositeit leiden tot verbreding en verschuiving van pieken [51].

een Raman-spectra van controle en gedoteerd BN-NS. b PL-spectra

PL-spectroscopie werd uitgevoerd om de excitonische migratie en recombinatie van elektron-gatparen te begrijpen, zoals aangetoond in figuur 4b. Spectra werden waargenomen met een excitatie- en emissiegolflengte van λ _ex =220 nm en λ _em =310 nm, respectievelijk. De karakteristieke band waargenomen bij ~-322-342 nm komt overeen met de elektron-gat-overgang vanwege het onzuiverheidsniveau [52, 53]. Het is opmerkelijk dat de excitonische band toeneemt, maar geen golflengteverschuiving vertoont bij dotering. Karakteristieke pieken bij ~ 446 nm en ~ 471 nm geven aan dat de PL-intensiteit een sterke toename laat zien van zuivere naar gedoteerde monsters. Ondertussen heeft 10 wt% Co-gedoteerde BN-NS maximale PL-intensiteit onder alle monsters, wat wijst op maximale elektron-gat-recombinatie. De intensiteit neemt geleidelijk af als gevolg van de dopingconcentratie, wat wijst op scheiding van door foto gegenereerde ladingen [54]. Emissiespectra onthulden een excitatie-afhankelijk PL-gedrag dat consistent is met de eerder gerapporteerde resultaten [55].

UV-vis-spectroscopie werd gebruikt om de absorptiespectra en bandgap van bereide producten te onderzoeken, zoals weergegeven in figuur 5a. De karakteristieke absorptiepiek van de gastheer BN-NS bevond zich op een drempel van ~ 205 nm in het diepe ultraviolette gebied (DUV), verwijzend naar de bandgap van ~  5,7 eV zoals weergegeven in figuur 5b. Het is vermeldenswaard dat bulk BN een bandgap van 5,2-5,4 eV induceert, terwijl een monolaag een bandgap van ~-6,07 eV blootlegt, wat goed overeenkomt met theoretische berekeningen (bijv. 6,0 eV). In het geval van bi/multilayers varieert de bandgap-waarde van 5,56 tot 5,92 eV [43]. Omdat ze consistent zijn met een brede bandgap in Fig. 5b en DUV-luminescentiegedrag in Fig. 5a, kunnen de h-BN nanosheets worden beschouwd als een nieuwe kandidaat voor een verscheidenheid aan toepassingen in fotonemissie, UV-lasing en DUV-detectoren [56] . Verder was de absorptierand verschoven naar langere golflengten met toenemende dopingconcentraties (2,5 tot 10 wt%) wat een roodverschuiving aantoont (Fig. 5b) [57].

een UV-vis spectra van kale en co-gedoteerde BN-NS. b Tauc-plot voor bandgap

Morfologie en samenstelling van controle en gedoteerd BN-NS werden geanalyseerd met FE-SEM zoals getoond in Fig. 6a. De microfoto's geven aan dat de verkregen deeltjes een geaggregeerde nanobladstructuur bezaten met een glad oppervlak en gebogen randen. Figuur 6 b-d tonen BN nanosheets bedekt met kobalt. In alle monsters werd agglomeratie waargenomen. FE-SEM-microfoto's laten zien dat nanosheets zijn gevouwen met een compacte gelaagde structuur en een niet-uniforme vorm en laterale dimensie hebben. Configuratie en afmetingen van nanosheets zijn een gevolg van de afschilfering van bulk BN-poeder. De morfologie van het verkregen product werd verder bevestigd met HR-TEM-analyse. Van HR-TEM-microfoto's getoond in Fig. 6a-d, werd bladachtige morfologie van bereide producten waargenomen. Bovendien werden compacte ruwe oppervlakken van nanosheets waargenomen met enigszins poreuze kenmerken die resulteren in verbeterde katalytische activiteit. Er werden donkere bolvormige vlekken waargenomen die wijzen op de succesvolle opname van doping. Minuten stapelen en gekrulde randen van nanosheets werden geregistreerd, zoals getoond door SEM-analyse in Fig. 6a-d. Experimentele resultaten suggereren dat FE-SEM- en HR-TEM-analyse wijzen op succesvolle exfoliatie van BN-nanobladen van bulk-BN.

een , een' FE-SEM- en HR-TEM-beelden van pure BN-NS. b –d FE-SEM van (2,5, 7,5 en 10 wt%) gedoteerd BN-NS. b' –d’ HR-TEM van (2,5, 7,5 en 10 wt%) gedoteerde BN-NS (inzet 50 nm)

Afstandsmetingen tussen de lagen van kale en gedoteerde monsters werden uitgevoerd met IFFT (zie inzet) geïnduceerd door middel van FFT-beelden van HR-TEM, onderzocht door Gatan digitale microfoto-software om roosterranden te onderscheiden. Waargenomen d -afstandswaarde voor ongerept en 2,5 wt% gedoteerd BN-NS is 0,34 nm en 0,21 nm wat overeenkomt met d ₀₀₂ en d ₁₀₀ vlakken, respectievelijk, zoals geïllustreerd in Fig. 7a, c. Deze bevindingen komen goed overeen met XRD-analyse en standaardgegevens [58]. Verder worden SAED-profielen gedemonstreerd in Fig. 7b, d die heldere vlekdiffractieringen betekenen. Deze diffractieringen werden geïndexeerd als afkomstig van (002), (100), (101) en (102) vlakken die goed overeenkomen met XRD-resultaten. De SAED-patronen suggereren dat alle ringen tot hexagonaal BN behoren en valideren de zeer kristallijne aard van nanosheets [58].

een , c d -afstandsanalyse van gastheer en 2,5 wt% gedoteerd BN-NS. b , d SAED-controlepatronen en 2,5 wt% gedoteerd BN-NS

De oppervlakte-elementsamenstelling van gedoteerd BN-NS werd onderzocht door middel van EDS-analyse zoals respectievelijk getoond in Fig. 8a-d. Verkregen microfoto's vertonen sterke pieken van boor (B) en stikstof (N), terwijl een klein signaal voor kobalt (Co) ook werd waargenomen in het EDS-spectrum (Fig. 8a). Twee gematigde pieken van Co bij 0, 5 en 7 keV werden waargenomen in met Co-gedoteerde monsters, die de succesvolle opname van het doteringsmiddel bevestigen. Bovendien is het koolstofsignaal onder 1 keV afkomstig van koolstoftabs die worden gebruikt om het monster tijdens analyse vast te houden en/of is het te wijten aan hoge achtergrondtellingen in de SEM-EDS-detector. Anders zat er geen koolstof in het monster [59].

een –d EDS-analyse van verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) Co-gedoteerde BN-NS

Magnetische eigenschappen van Co-gedoteerde BN-NS werden geëvalueerd met M-H-curve met behulp van VSM-metingen. In de grafiek getoond in Fig. 9 toont het sigmoïdale uiterlijk van M-H-lussen aan dat Co-gedoteerde BN-NS wordt gekenmerkt door magnetisch moment. Uit literatuuronderzoek blijkt dat ongerepte BN diamagnetisch gedrag vertoont met gevoeligheid (χ ≈ − 8,6 × 10 ⁻⁷ emu/g) [31, 35]. Daarentegen vertoont Co-gedoteerde BN-NS ferromagnetisme bij kamertemperatuur (RT-FM) als gevolg van uitwisselingsinteractie tussen Co ⁺² ionen en ongepaarde dipolen die de neiging hebben om langs het aangelegde magnetische veld uit te lijnen. Het is te zien dat de hysteresislus nauwkeuriger lijkt en dat de dopingconcentratie toeneemt, wat de zuiverheid en succesvolle opname van de doteerstof bevestigt. De coërciviteit, remanentie en verzadigingsmagnetisatie van Co-gedoteerde BN-NS voorspellen zachtheid en hardheid van het magnetische materiaal. Co-doping in BN-NS resulteert in de vorming van een zacht magnetisch materiaal. De waarden van remanentie (M _r ), verzadigingsmagnetisatie (M _s ), en coërciviteit (H _C ) voor verschillende dopingconcentraties (2,5, 5 en 7,5 wt%) werden berekend met de M-H-curve zoals weergegeven in tabel 1.

M-H-curve van verschillende concentraties (2,5, 5 en 7,5 wt%) van Co-gedoteerde BN-NS

De katalytische activiteit van ongerept en co-gedoteerd BN-NS dat als katalysator werkt, werd uitgedrukt door de afbraak van MB en onderzocht door middel van absorptiespectra die werden gevolgd met een UV-vis-spectrofotometer. Figuur 10 a–h toont de resultaten van katalytische activiteit met 500  μL NaBH₄ en 2 mg katalysator. Uit Fig. 10a blijkt dat NaBH₄ slaagt er niet in MB met succes af te breken, aangezien het na 40 min slechts 8% van de kleurstof afbreekt. Opname van zuiver BN-NS in MB in aanwezigheid van NaBH₄ resulteerde in 45% degradatie in 30 min (Fig. 10b). Bovendien was het afbraakvermogen van Co-gedoteerde BN-NS (zie Fig. 10b-e) significant hoger. Verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) van gedoteerde katalysator tonen 58, 77, 90 en 97% afbraak in respectievelijk 13, 8, 3 en 2 min. Interessant is dat 10  wt% gedoteerde nanosheets superieure katalytische activiteit opleveren en 97% kleurstof afbreken in slechts 2  min, wat hoger is dan (7,5, 5 en 2,5 wt%) gedoteerde concentraties en karakteristieke piekintensiteit wordt waargenomen bij ~ -290 en 665 nm. Deze toename van de kleurstofafbraak is mogelijk te wijten aan de verbetering van beschikbare adsorptie en katalytische plaatsen op katalysatoren. In dit mechanisme interageert de 3d-toestand van Co goed met de 2p-toestand van overeenkomstige beschikbare B- of N-sites in BN-NS. Deze sterke interactie tussen 3d Co- en 2p B- of N-toestanden zorgt ervoor dat de katalytische activiteit wordt verbeterd en dat de kleurstof snel wordt afgebroken, wat onze resultaten gunstig ondersteunt [60].

een Tijdsafhankelijke UV-vis-spectra van NaBH₄ . b ongerepte BN-NS. c –f Verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) van Co-gedoteerde BN-NS. g Percelen van C _t /C _o tegen de tijd. u Vergelijking afbraakpercentage over verschillende concentraties BN-NS

Het katalytische experiment werd herhaald met 1000  μL NaBH₄ en 4 mg katalysator. Door de concentratie van de katalysator te verhogen, verloopt de reactie sneller in vergelijking met het eerder genoemde experiment. Deze observatie komt goed overeen met de literatuur. In het huidige experiment, NaBH₄ slaagde er nog steeds niet in MB af te breken, terwijl ongerepte BN-NS en verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) van gedoteerde katalysator afgebroken 51, 65, 82, 95 en 99% in 27, 10, 6, 2 en respectievelijk 1 min, zoals geëvalueerd met een spectrofotometer. Experimentele resultaten die de katalytische activiteit meten, worden geïllustreerd in Fig. 11a, b.

een Percelen van C _t /C _o versus tijd bij gebruik van NaBH₄ =1000 μL en katalysatoren =4 mg. b Vergelijking van het afbraakpercentage over verschillende concentraties. c Percelen van C _t /C _o versus tijd voor herbruikbaarheid van 10 wt% Co-gedoteerde BN-NS. d Percelen van C _t /C _o versus tijd voor herbruikbaarheid van 10 wt% Co-gedoteerde BN-NS

Volgens de wet van Beer-Lambert is de verhouding van de concentratie van MB op een bepaald moment (C _t ) en initiële concentratie van MB (C _o ), aangeduid als C _t /C _o , kan worden geschat door de verhouding van parallelle absorptie (A _t /A _o ). Figuren 10 f en 11 a tonen het tijdsverloop van C _t /C _o gebruikt voor alle katalysatoren, terwijl Fig. 10 g en 11 b het percentage afbraak van alle katalysatoren aangeven. Het percentage degradatie werd geëvalueerd door Vgl. 1.

Bovendien is de pH-waarde een essentiële operationele variabele bij de behandeling van kleurstofafbraak. Ook speelt pH een belangrijke rol bij de behandeling van textielafvalwater en in de reactiemechanismen die bijdragen aan de afbraak van kleurstoffen. Vermeldenswaard is dat het percentage afbraak in belangrijke mate afhangt van de pH-waarde. In het huidige experiment was de pH-waarde ingesteld op 8,5. Het is opmerkelijk dat kleurstofafbraak als gevolg van katalytische activiteit de beste resultaten liet zien in een alkalische omgeving, wat onze experimentele bevindingen gunstig ondersteunt. Verschillende rapporten onthullen dat de hoogste kleurstofafbraak door katalytische activiteit werd waargenomen in een alkalische omgeving [61].

Stabiliteit en herbruikbaarheid (recyclingvermogen) van katalysatoren is een belangrijk kenmerk om een ​​katalysator te evalueren die wordt gebruikt voor kleurstofafbraak. In de huidige studie werd de stabiliteit van katalysatoren geëvalueerd door het uitgevoerde experiment 48 uur te laten staan. Na 48 h waren de resultaten hetzelfde als aanvankelijk uitgevoerd, d.w.z. de degradatie was nog steeds in de vorige toestand. Herbruikbaarheid van katalysator werd onderzocht door 10 wt% Co-gedoteerde katalysator te recyclen, die in de huidige studie als een superieure katalysator diende gedurende drie cycli. Geëxtraheerde spectra van gerecycleerde katalytische activiteit werden geëvalueerd zoals getoond in Fig. 11c, d.

Daarnaast werd de belasting van de katalysator voor en na drie keer recycling onderzocht. In de eerste en tweede activiteit werd een klein gewichtsverlies van de katalysator, variërend van 2 mg en 4 mg (vóór) tot 1,7 mg en 3,6 mg (na drie cycli) gedetecteerd door ~ -5% detectieafwijking in het huidige experiment te beschouwen. Deze bevindingen geven aan dat Co-gedoteerde BN-NS uitstekende stabiliteit vertoont terwijl het als katalysator dient. Ten slotte suggereert deze studie dat Co-gedoteerde BN-NS een efficiënt en uitstekend katalytisch gedrag vertoont ten aanzien van kleurstofafbraak in industriële afvalwaterzuivering.