Оценка поверхностных и электрических свойств гибридных материалов TiO2@цеолит

Mar 28, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3650 (2023) Цитировать эту статью

Деградация загрязняющих веществ в водной среде представляет большой интерес из-за воздействия на окружающую среду и здоровье человека, поэтому разработка и исследование физико-химических свойств фотокатализаторов очистки воды имеют большое значение. Среди свойств фотокатализатора решающее значение для его работы имеют свойства, связанные с поверхностью и электрическим механизмом. Здесь мы сообщаем о химических и морфологических характеристиках фотокатализатора TiO2@zeolite с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) соответственно, а когерентный механизм электропроводности был предложен на основе данных, полученных с помощью вспомогательной лазерной импедансной спектроскопии (ALIS). ), в котором цеолит был синтезирован из переработанной золы угля. Результаты, полученные методами СЭМ и РФЭС, подтвердили наличие сферических частиц анатаза TiO2 с наличием состояния Ti3+. Результаты ALIS показали, что импеданс всей системы увеличивается с увеличением количества TiO2, а образцы с более низкими емкостными характеристиками обеспечивают больший перенос зарядов между границей раздела твердое тело-жидкость. Все результаты показали, что более высокие фотокаталитические характеристики роста TiO2 по сравнению с гидроксисодалитом с содержанием TiO2 8,7 и 25 мас.% можно объяснить, главным образом, с точки зрения морфологии TiO2 и взаимодействий между субстратом и TiO2.

Среди красителей азосоединения широко используются в пищевой и текстильной промышленности, значительное количество сточных вод этих производств выбрасывается в окружающую среду, что представляет опасность для человека и водных организмов1,2. Благодаря высокой химической стабильности красителей современные процессы окисления с использованием гетерогенного фотокатализа позволяют очищать этот класс сточных вод3. Среди фотокатализаторов TiO2 является одним из наиболее используемых при фотодеградации загрязняющих веществ благодаря своим свойствам, таким как высокая эффективность окисления, химическая и биологическая инертность, высокая фотостабильность, простота производства и использования по сравнению с другими, относительно низкая стоимость и экологически чистый4,5; таким образом, TiO2 использовался и до сих пор изучается как фундаментальный материал для улучшения фотокаталитических процессов6,7,8,9,10,11,12,13. Чтобы улучшить характеристики TiO2, его выращивают и диспергируют на подходящей подложке, создавая гибридный материал, который использует свойства как TiO2, так и подложки. Одним из используемых субстратов для иммобилизации TiO2 является цеолит – гидратированный алюмосиликат, состоящий из тетраэдрических звеньев ТО4 (Т = Si, Al), связанных через атом кислорода; они создают трехмерную структуру с внутренними полостями и порами молекулярных размеров, соединенными между собой каналами. Из-за разницы в степени окисления ионов Al (+3) и Si (+4) появляется отрицательный заряд, который нейтрализуется обменными катионами (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) и адсорбированными молекулами воды, которые размещаются в каналах или клетках конструкции14,15. Цеолиты имеют природное или синтетическое происхождение и используются во многих областях, таких как сельское хозяйство16, здравоохранение17, углеводороды18 и очистка загрязнений19. Синтетические цеолиты могут быть синтезированы из отходов, таких как стеклянные и алюминиевые отходы20, угольная зола (CFA)21, литиевые отходы22 и рисовая шелуха23, в частности, в основном гидротермальным методом. Способность фотокатализатора разлагать загрязняющие вещества цеолитными материалами TiO2@ обусловлена ​​свойством электронно-дырочной пары, которой способствует адсорбция света TiO2, образовывать в водной среде свободные радикалы, радикалы, способные окислять органические соединения в виде азокрасителей4, 5. Эффективность фотокатализа TiO2 зависит от количества образующихся свободных радикалов, на которое влияют, главным образом, адсорбционная способность и рекомбинация электрон-дырка. Дисперсия TiO2 в цеолите решает любые проблемы TiO2, такие как снижение скорости рекомбинации электронов и дырок, увеличивает адсорбцию и облегчает рекуперацию из жидкого раствора24. Согласно обзору литературы, о производстве гибридных материалов TiO2@цеолита сообщалось в основном с коммерческим цеолитом25,26,27,28; однако литература, посвященная использованию цеолита, синтезированного из угольной золы, для производства цеолита TiO2@, скудна24,29, следовательно, до сих пор отсутствует понимание механизма, используемого для применения фотокатализа в этих материалах.