Изготовление наноструктур TiO2/Fe2O3, легированных азотом, для фотокаталитического окисления сточных вод на основе метанола

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4431 (2023) Цитировать эту статью

1385 Доступов

Подробности о метриках

Важный промышленный процесс, который часто происходит на поверхности гетерогенного катализатора с использованием термохимического или фотохимического метода, может помочь в окислении сточных вод на основе метанола до формальдегида. Фотокатализаторы на основе диоксида титана вызвали большой интерес у ученых, поскольку являются надежным и доступным каталитическим материалом для процессов фотокаталитического окисления в присутствии световой энергии. В этом исследовании был реализован простой гидротермальный метод получения композитных фотокатализаторов n-TiO2@α-Fe2O3 и нанокубов гематита (α-Fe2O3). Путем регулирования соотношения n-TiO2 в приготовленных композиционных фотокатализаторах исследовано усиливающее влияние легированного азотом титана на фотокаталитические характеристики полученных материалов. Полученные материалы были тщательно охарактеризованы с использованием общепринятых физико-химических методов, таких как просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), рентгеновская дифракция (РФА), энергодисперсионный рентгеновский анализ (ЭДР), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ( XPS), физисорбция (БЭТ) и другие, чтобы лучше узнать структуру. Полученные результаты показали, что легированный азотом диоксид титана превосходит нелегированный диоксид титана в фотоокислении метанола. Добавление легированного азотом титана к их поверхности привело к еще большему улучшению скорости фотоокисления метанола в сочетании с гематитом. Проведено фотоокисление метанола в водном растворе для имитации его концентрации в сточных водах. Через 3 часа четыре массовых процента фотокатализатора n-TiO2@α-Fe2O3 показали самую высокую скорость образования HCHO.

Удаление загрязнителей воды, таких как ароматические соединения, материалы на основе нефти, хлорированные углеводороды, пестициды, инсектициды, летучие органические соединения (ЛОС), красители и другие органические материалы, с использованием передовых процессов окисления (АОП) является экологически чистым методом1. У них короткая жизнь, поскольку они в основном полагаются на производство активных форм кислорода, таких как гидроксильные радикалы. В результате они быстро и активно взаимодействуют с различными химическими веществами, многие из которых трудно разлагаются1. Более того, АОП используются для очистки многих типов сточных вод как многообещающая технология, которая может эффективно снизить концентрацию стойких органических загрязнителей, а образующиеся продукты окисления, такие как диоксид углерода, вода и биоразлагаемая органика, являются термодинамически стабильными. что делает их превосходящими другие традиционные подходы2. АОП содержат процесс фотокатализа, который имеет решающее значение для сбора солнечного света фотокатализатором3,4. Затем, при наличии различных диапазонов солнечного спектра, эти фотокатализаторы успешно использовались для решения проблем, связанных с загрязнением окружающей среды и энергетическими кризисами3,4.

Многочисленные исследования, подобные5, были проведены по фотокаталитическому окислению органических соединений до CO2. В последнее время было создано множество новых наночастиц для экологических применений6. Самым популярным нанокатализатором и фотокатализатором одновременно является титан (TiO2), поскольку он легко доступен и стабилен в различных условиях реакции7. Активация исключительно ультрафиолетового света является одним из самых больших недостатков TiO2. Желательно иметь фотокатализаторы, которые могут использовать солнечное излучение и видимый свет с меньшими затратами энергии. Оксид вольфрама (WO3) с энергией запрещенной зоны 2,8 эВ может фотоактивироваться синим светом (500 нм) и является подходящей заменой TiO2 в качестве фотокатализатора. Для повышения каталитической скорости, как и во всех фотокатализаторах, необходимо усилить разделение зарядов электронов и дырок. Свет с достаточной энергией поглощается металлооксидными фотокатализаторами, такими как WO38,9 и TiO2, вызывая возбуждение запрещенной зоны и генерацию реактивных электронов (e-) и дырок (h+), которые отвечают за каталитические реакции10.