En letkøbt syntetiske metode til at opnå Bismuth Oxyiodide mikrokugler yderst funktionelt for fotokatalytiske processer af vand hastige
Summary
I denne artikel beskrives en syntetisk metode til at opnå bismuth oxyiodide mikrokugler, som er yderst funktionelt at udføre fotokatalytiske fjernelse af organiske forurenende stoffer, såsom ciprofloxacin, i vand under UV-A/synligt lys bestråling.
Abstract
Bismuth oxyhalide (BiOI) er en lovende materiale for sollys-drevet-miljømæssige fotokatalyse. I betragtning af at den fysiske struktur af denne slags materialer er stærkt relateret til dens fotokatalytiske ydeevne, er det nødvendigt at standardisere de syntetiske metoder for at opnå de mest funktionelle arkitekturer og dermed den højeste fotokatalytiske effektivitet. Her rapporterer vi en pålidelig rute til at opnå BiOI mikrokugler via solvothermal processen, med Bi (3)3 og kaliumiodid (KI) som forløbere, og ethylenglycol som en skabelon. Syntesen er standardiseret i et 150 mL autoklave, ved 126 ° C i 18 h. Dette resulterer i 2-3 µm mellemstore mesoporøse mikrokugler, med en relevante specifikke overfladeareal (61.3 m2/g). Afkortning reaktionstider i syntesen resulterer i amorfe strukturer, mens højere temperaturer føre til en svag stigning i porøsiteten af mikrokugler, med ingen effekt i fotokatalytiske ydeevne. Materialerne er foto-aktive under UV-A/synligt lys bestråling til nedbrydningen af de antibiotika ciprofloxacin i vand. Denne metode har vist for at være effektive i sammenlignende prøver, at få lignende BiOI mikrokugler i mexicanske og chilenske forskningsgrupper.
Introduction
En overflod af halvledere er blevet syntetiseret hidtil, satsning nemlig fotokatalysatorer med høj aktivitet under synligt lys bestråling, enten til at forringe organiske forbindelser eller til at generere vedvarende energi i form af brint1,2. Bismuth oxyhalides BiOX (X = Cl, Br, eller jeg) er kandidater til sådanne ansøgninger på grund af deres høje fotokatalytiske effektivitet under synligt lys eller simuleret sollys bestråling3,4. Band gap energi (Eg) af bismuth oxyhalides aftager med forhøjelsen af atomnummer af Halogenid; BiOI er således det materiale, der viser den laveste aktiveringsenergi (Eg = 1,8 eV)5. Iodid atomer, fæstnede via Van der Waals kraft at bismuth atomer, oprette et elektrisk felt, der favoriserer migration af afgift luftfartsselskaber til overfladen semiconductor udløser fotokatalytiske proces4,6. Arkitekturen i crystallite har endvidere en afgørende rolle i fordampes, tion afgift luftfartsselskaber. Stærkt orienteret strukturer i det (001) plan og 3D strukturer (såsom mikrokugler) lette afgift carrier adskillelse ved bestråling, øge fotokatalytiske ydeevne7,8,9 , 10 , 11 , 12. i lyset af dette, er det nødvendigt at udvikle pålidelige syntetiske metoder for at opnå strukturer, der fremmer foto-aktiviteten af bismuth oxyhalide materialer.
Metoden solvothermal er langt, de mest almindeligt anvendte og studerede rute til at opnå BiOI mikrokugler13,14,15,16. Nogle metoder, ved hjælp af Ioniske væsker har været også rapporteret17, selv om de omkostninger i forbindelse med disse metoder kan være højere. Microsphere struktur er normalt fremstillet ved hjælp af organiske opløsningsmidler som ethylenglycol, der fungerer som en koordinerende agent til at danne metallic alkoxiderne, hvilket resulterer i en gradvis selv at samle [Bi2O2]2 + arter18 , 19. ved hjælp af solvothermal ruten med ethylenglycol letter dannelsen af forskellige morfologier ved at ændre de vigtigste parametre i reaktionen, såsom temperatur og reaktionstid4,18. Der er en lang krop litteratur om syntetiske metoder til at opnå BiOI mikrokugler, som viser modstridende oplysninger til at opnå stærkt photoactive strukturer. Denne detaljerede protokollen tager sigte på viser en pålidelig syntetiske metode til at opnå BiOI mikrokugler yderst funktionelt i fotokatalytiske nedbrydningen af forurenende stoffer i vand. Vi agter at hjælpe nye forskere med succes hente denne slags materialer, undgå de mest almindelige faldgruber forbundet med processen, syntese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi anser den kritiske trin i solvothermal syntese af BiOI mikrokugler blandingen af prækursorer. En meget langsom dryppende af KI løsning oploesningen Bi (3)3 (højst 1 mL/min) er afgørende for at opnå mesoporøse mikrokugler, da det giver mulighed for den langsomme dannelse og samlesæt af [Bi2O2]+ 2 plader , efterfulgt af limning med Iodid atomer til at danne BiOI laminater. Lamellae er mursten af mikrokugler taktfast solvothermal (figur 1<…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México for ressourcerne, der leveres til at udføre dette arbejde gennem det finansierede projekt SECITI/047/2016, og de nationale fonde for videnskabelig og teknologiudvikling Chile (FONDECYT 11170431).
Materials
| 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 |
Referenzen
- Yu, C., Zhou, W., Liu, H., Liu, Y., Dionysiou, D. D. Design and fabrication of microsphere photocatalysts for environmental purification and energy conversion. Chemical Engineering Journal. 287, 117-129 (2016).
- Wang, H., et al. Semiconductor heterojunction photocatalysts: Design, construction, and photocatalytic performances. Chemical Society Reviews. 43 (15), 5234-5244 (2014).
- Chou, S. Y., Chen, C. C., Dai, Y. M., Lin, J. H., Lee, W. W. Novel synthesis of bismuth oxyiodide/graphitic carbon nitride nanocomposites with enhanced visible-light photocatalytic activity. RSC Advances. 6, 33478-33491 (2016).
- Siao, C. W., et al. Controlled hydrothermal synthesis of bismuth oxychloride/bismuth oxybromide/bismuth oxyiodide composites exhibiting visible-light photocatalytic degradation of 2-hydroxybenzoic acid and crystal violet. Journal of Colloid and Interface Science. 526, 322-336 (2018).
- Meng, X., Zhang, Z. Bismuth-based photocatalytic semiconductors: Introduction, challenges and possible approaches. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 423, 533-549 (2016).
- Wang, Y., Deng, K., Zhang, L. Visible light photocatalysis of BiOI and its photocatalytic activity enhancement by in situ ionic liquid modification. Journal of Physical Chemistry C. 115 (29), 14300-14308 (2011).
- Xiao, X., Zhang, W. De Facile synthesis of nanostructured BiOI microspheres with high visible light-induced photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry. 20 (28), 5866-5870 (2010).
- Chen, C. C., et al. Bismuth oxyfluoride/bismuth oxyiodide nanocomposites enhance visible-light-driven photocatalytic activity. Journal of Colloid and Interface Science. 532, 375-386 (2018).
- Xia, J., et al. Self-assembly and enhanced photocatalytic properties of BiOI hollow microspheres via a reactable ionic liquid. Langmuir. 27 (3), 1200-1206 (2011).
- Mera, A. C., Contreras, D., Escalona, N., Mansilla, H. D. BiOI microspheres for photocatalytic degradation of gallic acid. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 318, 71-76 (2016).
- Pan, M., Zhang, H., Gao, G., Liu, L., Chen, W. Facet-dependent catalytic activity of nanosheet-assembled bismuth oxyiodide microspheres in degradation of bisphenol A. Environmental Science and Technology. 49 (10), 6240-6248 (2015).
- Hu, J., et al. Solvents mediated-synthesis of BiOI photocatalysts with tunable morphologies and their visible-light driven photocatalytic performances in removing of arsenic from water. Journal of Hazardous Materials. 264, 293-302 (2014).
- Ye, L., Su, Y., Jin, X., Xie, H., Zhang, C. Recent advances in BiOX (X = Cl, Br and I) photocatalysts: Synthesis, modification, facet effects and mechanisms. Environmental Science: Nano. 1 (2), 90-112 (2014).
- Qin, X., et al. Three dimensional BiOX (X=Cl, Br and I) hierarchical architectures: Facile ionic liquid-assisted solvothermal synthesis and photocatalysis towards organic dye degradation. Materials Letters. 100, 285-288 (2013).
- Chou, S. Y., et al. A series of BiO x I y/GO photocatalysts: synthesis, characterization, activity, and mechanism. RSC Advances. 6 (86), 82743-82758 (2016).
- Shi, X., Chen, X., Chen, X., Zhou, S., Lou, S. Solvothermal synthesis of BiOI hierarchical spheres with homogeneous sizes and their high photocatalytic performance. Materials Letters. 68, 296-299 (2012).
- Di, J., et al. Reactable ionic liquid-assisted rapid synthesis of BiOI hollow microspheres at room temperature with enhanced photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry A. 2 (38), 15864-15874 (2014).
- Ren, K., et al. Controllable synthesis of hollow/flower-like BiOI microspheres and highly efficient adsorption and photocatalytic activity. CrystEngComm. 14 (13), 4384-4390 (2012).
- Lei, Y., et al. Room temperature, template-free synthesis of BiOI hierarchical structures: Visible-light photocatalytic and electrochemical hydrogen storage properties. Dalton Transactions. 39 (13), 3273-3278 (2010).
- Montoya-Zamora, J. M., Martínez-de la Cruz, A., López Cuéllar, E. Enhanced photocatalytic activity of BiOI synthesized in presence of EDTA. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 75, 307-316 (2017).
- He, R., Zhang, J., Yu, J., Cao, S. Room-temperature synthesis of BiOI with tailorable (0 0 1) facets and enhanced photocatalytic activity. Journal of Colloid and Interface Science. 478, 201-208 (2016).
- Song, J. M., Mao, C. J., Niu, H. L., Shen, Y. H., Zhang, S. Y. Hierarchical structured bismuth oxychlorides: self-assembly from nanoplates to nanoflowers via a solvothermal route and their photocatalytic properties. CrystEngComm. 12, 3875-3881 (2010).
- Mera, A. C., Váldes, H., Jamett, F. J., Meléndrez, M. F. BiOBr microspheres for photocatalytic degradation of an anionic dye. Solid State Science. 65, 15-21 (2017).
- Kong, X. Y., Lee, W. C., Ong, W. J., Chai, S. P., Mohamed, A. R. Oxygen-deficient BiOBr as a highly stable photocatalyst for efficient CO2 reduction into renewable carbon-neutral fuels. ChemCatChem. 8, 3074-3081 (2016).
