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생체모방 광촉매 Zn(II)-포르피린에 민감한 3D TiO2 중공 나노박스의 손쉬운 원팟 합성 및 시너지 효과로 향상된 가시광선 분해

초록

생체 모방 광촉매 아연(II) meso 시리즈 -테트라(4-카르복시페닐)포르피리나토(ZnTCP)에 민감한 3D 계층적 TiO2 속이 빈 나노박스(TiO2 -HNB) 패싯 노출이 지배적인 {001} 나노시트 6개로 조립됨(ZnTCP@TiO2 -HNBs)는 통해를 통해 손쉬운 원 포트 solvothermal 방법으로 성공적으로 합성되었습니다. TiOF2를 사용한 토폴로지 변환 프로세스 템플릿으로. 적외선 스펙트럼(IR), UV-vis 분광법 및 X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 ZnTCP가 TiO2와 결합된 에스테르 결합의 형성을 통해 3D 속이 빈 나노박스를 구성하는 데 결정적인 역할을 했음을 확인했습니다. - TiO2를 민감하게 하기 위해 광 여기된 전자 다리를 전달하는 HNB도 제공 - 가시광선 응답을 향상시키기 위한 HNB. ZnTCP의 우수한 감도 및 생체 모방 활성으로 인해 준비된 ZnTCP@TiO2의 로다민 B(RhB)의 광분해율 -ZnTCP/TiOF2가 있는 HNB 2%(T-2p)의 질량비는 TiO2 대비 3.6배 향상 -모의 햇빛 조사(> 420nm)에서 2시간 동안 99%의 분해 수율을 갖는 HNB. 향상된 광분해 능력은 생체모방 촉매의 상승적인 가시광촉매 메카니즘에 기인하며, 이는 하이드록실 라디칼(•OH) 및 슈퍼옥사이드 라디칼(•O2 - ) ZnTCP 증감 TiO2의 여기 과정에서 발생 -HNB이지만 일중항 산소도 생성합니다( 1 O2 ) 그것은 생체 모방 효소 포르피린에 의해서만 제공되었습니다. 또한, 광촉매는 지지체 TiO2에 대한 ZnTCP의 강한 화학적 결합에 기인하여 5회 후에 양호한 재활용 안정성 및 분산성을 나타냈다. -HNB. 전기화학적 순환 전압전류법 분석을 통해 생체모방 촉매의 산화환원 특성에 대한 중심 아연 이온과 모 포르피린 고리의 영향을 연구했습니다.

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배경

모든 종류의 유기 염료는 직물, 가죽, 종이의 염색을 비롯한 다양한 산업 응용 분야에서 대체할 수 없는 역할을 합니다[1]. 그러나 독성, 다양성 및 지속성은 생태계의 건강에 직접적인 영향을 미치고 오염된 식수 공급을 통해 인간에게 직접적인 위협이 됩니다[2]. 산업 폐수 방류수에서 합성 염료 오염 물질을 제거하는 간단한 방법을 찾는 것이 시급한 과제로 인식되고 있습니다.

물리적, 생물학적 및 화학적 방법을 포함하여 폐수에서 유기 염료 제거를 처리하기 위해 수많은 방법이 개발되었습니다[3,4,5]. 흡착, 응고, 이온교환, 막여과와 같은 물리적 방법은 유기오염물질을 제거하는데 사용되는 반면[6, 7], 물리적 방법은 유기분자를 수상에서 멀리 옮기는 것일 뿐 문제를 근본적으로 해결하지 못한다. 또한 생물학적 공정은 고유한 시간 소모적인 절차와 유기 오염 물질에 대한 내성으로 인해 일반적으로 비교적 온화한 조건에서 발생하므로 대규모 산업 적용이 어렵습니다. 염료 오염 물질의 분해를 위해 태양 에너지를 사용하기 때문에 형성된 AuAgCuBi2 O4 합성물은 모의 햇빛 조사에서 RhB의 분해에 대해 우수한 광촉매 활성을 나타냅니다. 그리고 복합 재료는 크게 향상된 광촉매 활성을 나타냅니다[8,9,10,11]. 위의 고려 사항을 바탕으로 폐수에서 유기 오염 물질의 효과적인 제거는 만족스럽지 않으며 여전히 비용 효율적이고 환경 친화적 인 전략의 개발이 시급합니다. 수성 시스템에서 염료 파괴 문제를 처리할 수 있는 하이드록실 자유 라디칼과 같은 활성 종의 생성을 기반으로 하는 고급 산화 공정(AOP)은 광범위한 유기 오염 물질의 선택적 산화를 방지하는 데 사용되었습니다[12] . Fenton 방식, 오존 시스템, 반도체 광촉매 및 전기화학적 촉매를 포함한 일부 전형적인 AOP 기술은 유기 오염물질 처리를 위해 성공적으로 개발되었습니다. 최근 몇 년 동안 간단한 작동과 환경 친화성으로 인해 효소 인식 및 화학적 촉매 작용의 장점을 모은 생체 모방 촉매 작용에 의해 촉매되는 유기 오염 물질의 분해에 상당한 관심을 기울이고 있습니다[13].

화학 촉매에 비해 높은 선택성은 생체 모방 촉매의 가장 큰 장점 중 하나이며 온화하고 환경 친화적 인 조건에서 작동 할 수있어 에너지 투입과 폐기물 생성을 크게 줄일 수 있습니다. 최근 과산화효소나 철함유 옥시게나제의 산화특성을 모방할 수 있는 메탈로포르피린과 그 유도체는 우수한 화학적 안정성과 태양광 내에서 높은 흡수계수로 인해 잔류성 유기오염물질의 산화적 분해로 사용이 주목받고 있다. 스펙트럼. Zhao는 이온 교환 수지에 지지된 철(II) 비피리딘이 O2를 효과적으로 활성화할 수 있다고 보고했습니다. 가시광선 조사에서 물에 있는 유기 염료를 분해하기 위하여 [14]. Collins는 H2를 모두 활성화할 수 있는 일련의 철 중심 테트라아미도 거대고리 리간드 복합체를 합성했습니다. O2 및 O2 효소 속도로 퍼옥시다제와 같은 과정을 모방하기 위해 이질적인 수성 시스템에서 유기 오염 물질을 분해합니다. 우리 그룹은 음이온 교환 수지(앰버라이트 CG-400)에 지지된 철 테트라(1,4-디티인) 포르피라진이 유기 염료의 우수한 산화 분해를 나타냈다고 보고했습니다. 보고된 바를 고려하면, 이들 메탈로포르피린 및 그 유도체는 철 이온의 다양한 원자가로 인해 모두 중심 철 이온을 기반으로 하는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 Fe 2+ 이기 때문에 포르피린 고리와 대기 불안정으로 킬레이트화되기가 훨씬 더 어렵습니다. 이 과정은 일반적으로 가혹한 조건과 긴 반응 시간에서 수행됩니다.

우리 모두 알고 있듯이 아연 포르피린과 그 메탈로포르피린은 높은 안정성, 우수한 감광성, 무독성 및 손쉬운 합성과 같은 매력적인 특성을 나타내어 점점 더 많은 과학자들이 선호합니다. 특히, 아연 포르피린의 감광성은 단일항 산소 양자 수율을 유도하여 광역학 요법 및 유기 오염 물질의 광촉매 산화 분해에 사용할 수 있습니다[15]. 이러한 우수한 특성은 유기 오염 물질의 광촉매 산화를 연구하기 위해 손쉬운 합성 아연 포르피린 합성물을 설계하는 더 나은 방법을 찾도록 영감을 줍니다. 동시에, 징크 포르피린의 친수성을 고려하여 4개의 카르복실기가 그 주변의 큰 고리에 도입되었습니다.

아연 포르피린 복합체의 지지체를 해결하기 위해서는 또 다른 시급한 문제가 필요했습니다. 우리 그룹의 이전 보고서에 따라 메탈로포르피린과 메탈로포르피라진은 음이온 교환 수지(Amberlite CG-400) 또는 이온 교환 수지에 지지될 때만 우수한 불균일 광촉매 활성을 나타냅니다. 그러나 모든 종류의 수지는 전자와 정공 쌍을 생성할 수 없으며 가시광선 조사에서 전하를 빠르게 이동시킵니다. 따라서 우리는 대표적인 반도체 광촉매인 TiO2에 주목합니다. .

지금까지 아나타제 TiO2 무독성, 높은 화학적 안정성 및 광안정성으로 인해 폐수 내 유기 오염 물질의 광촉매 분해와 같은 환경 오염 및 에너지 위기 해결에 잠재적으로 응용될 수 있어 가장 중요한 광촉매 중 하나가 되었습니다. 그러나 아나타제 TiO2의 상대적으로 넓은 밴드갭으로 인해 태양광의 아주 작은 자외선 부분(약 4.5%)만 흡수할 수 있습니다. (3.2 eV), 실제 적용을 심각하게 제한합니다[16,17,18]. 따라서 TiO2의 가시광선 광반응 활성을 향상시키는 데 매우 중요한 문제입니다. 태양광 스펙트럼의 풍부한 양을 최대한 활용하기 위한 광촉매 기반의 광촉매는 여전히 큰 도전 과제로 남아 있습니다. 현재까지 TiO2의 가시광선 활용도를 향상시키기 위한 많은 연구가 있었습니다. 반도체 결합[19,20,21], 금속 및 비금속 이온 도핑[22, 23], 표면 감응 변형[24,25,26]. 이는 표면 산소 결손이 광유도 전하 수용체로 작용하고 흡착 부위가 광 생성 전하의 재결합을 억제하여 광촉매 반응을 위한 광 생성 전자와 정공의 가용성을 증가시킨다는 사실에 의해 설명될 수 있습니다[27,28,29]. 반도체 커플링과 관련하여 광 생성된 전자-정공 쌍의 분리 속도를 효과적으로 증가시킬 수 있지만 광반응 효율은 접합 구조에 크게 의존하며 산업 응용 분야에서는 너무 낮은 에너지 변환 효율을 얻었습니다[30,31,32]. TiO2의 도핑 수정 일반적으로 고온 및 다단계 절차에서 격자 교환으로 준비하기가 다소 어렵습니다. 표면 감작 접근 방식은 TiO2의 광 반응 영역을 극적으로 확장할 수 있습니다. UV에서 가시광선 범위까지. 좋은 증감제로 메탈로포르피린 및 그 유도체 감작 TiO2 태양 스펙트럼 내에서 높은 흡수 계수, 작은 단일항-삼중항 분할, 시스템 간 교차에 대한 높은 양자 수율, 긴 삼중항 상태 수명 및 우수한 화학적 안정성으로 인해 많은 관심을 받았습니다[33, 34]. 더 중요한 것은 포르피린 감작이 TiO2의 밴드갭을 확장할 수 있다는 것입니다. 가시광선 영역으로의 광학 흡수는 유기 오염 물질의 분해를 효율적으로 촉매할 수 있습니다. 포르피린 고리 주변의 작용기는 염료의 여기 상태 전자를 TiO2로 이동시키는 채널입니다. 전도대 [35, 36].

최근 엄청난 양의 3D TiO2 속이 빈 나노구조는 3D 속이 빈 나노튜브 또는 나노와이어, 나노시트, 나노막대 또는 나노입자로 구성된 미세구와 같은 모든 종류의 방법으로 합성되었습니다. 그러나 무작위로 조립된 빌딩 블록으로 구성된 이러한 중공 구조는 주로 구형 구조를 기반으로 합니다. 구형이 아닌 3D TiO2 추구 정렬된 계층 구조로 구성된 상자형 또는 큐브형 구조와 같은 속이 빈 나노물질은 여전히 ​​도전 과제로 남아 있습니다. 현재까지 실험 및 이론 분석을 통해 아나타제 TiO2의 고에너지 {001} 측면이 광 생성된 전자-정공 쌍을 효율적으로 분리하고 TiO2의 밴드갭을 좁힐 수 있습니다. , 이는 폭발적인 연구 관심을 불러일으켰습니다[37]. 위의 모폴로지와 패싯 수정을 고려하여 3차원 계층적 TiO2를 구성하는 방법 가시광선 흡수를 향상시키기 위해 면의 지배적인 노출과 함께 6개의 정렬된 시트로 조립된 속이 빈 상자형 구조는 여전히 어려운 문제로 남아 있습니다. 따라서 포르피린에 민감한 3D 속이 빈 TiO2를 합성하기 위한 손쉬운 단일 포트 토폴로지 합성 전략의 개발이 시급합니다. 가시광선 기반 응답을 얻기 위한 구조. 우리가 아는 한, 현장 불소 유도 자기 변형 입방체 TiOF2 중공 나노박스의 아연 포르피린 감응 TiO2 준비 solvothermal 처리에 의한 복합 광촉매는 보고되지 않았습니다.

여기에서 우리는 meso를 제안했습니다. - 테트라(4-카르복시페닐) 포르피리나토 아연(II)(ZnTCP)에 카르복실기가 있는 포르피린 주변에 증감제로 사용하고 손쉬운 1포트 토폴로지 용매열법을 사용하여 ZnTCP에 민감한 TiO22를 제조했습니다. 속이 빈 나노박스(ZnTCP@TiO2 -HNB) TiO2 사이의 꾸준한 공유 결합 형성을 통한 지배적 {001} 패싯 노출 -HNB 및 아연 포르피린. 우리는 아연 포르피린 변형 TiO2의 구조와 가시적 광촉매 활성에 대한 아연 포르피린 질량 함량의 영향을 체계적으로 연구했습니다. 속이 빈 나노박스(ZnTCP@TiO2 -HNB).

방법

자료

모든 시약 및 용매는 상업적 공급업체(Wuhan Guoyao Chemical Reagent Co. Ltd.)로부터 입수한 시약 등급 품질이었고 추가 정제 없이 직접 사용되었습니다. 모든 용액은 증류수로 제조되었습니다.

ZnTCP 민감 TiO의 합성2 -HNB(ZnTCP@TiO2 -HNB)

TiOF2 먼저 나노큐빅 템플릿으로 전구체를 준비했습니다.

일반적인 절차에서 30mL 아세테이트, 5mL 불화수소산 및 15mL 테트라부틸 티타네이트를 100mL 폴리비닐 플루오라이드 비이커에 적가하고 25분 동안 계속 교반합니다. 그런 다음, 혼합물을 건조된 100mL 테플론 라이닝된 오토클레이브에 옮기고 200°C에서 12시간 동안 유지했습니다. 상온으로 식힌 후 백색 분말을 에탄올로 여러 번 세척하고 60°C에서 밤새 진공 건조하여 TiOF2를 얻었다. 나노큐빅 전구체.

Zn 포르피린(ZnTCP)의 제조

준비 절차에는 두 단계가 포함되었습니다. 첫 번째 단계는 포르피린(TCP)의 합성입니다. 일반적으로 100mL 프로피온산과 4.341g(28.8mmol) 4-카르복시벤즈알데히드를 500mL 3구 플라스크에 첨가하고 오일 배스에서 가열하고 30분 동안 교반합니다. 완전한 분산을 보장합니다. 10-mL 프로피온산 및 2-mL 피롤의 용액을 상기 시스템에 천천히 적가하고 140°C에서 2시간 동안 환류시켰다. 혼합물을 실온으로 냉각시키고 150-mL 뜨거운 물로 2회 세척하였다. 그런 다음 탄산나트륨과 황산을 사용하여 타르를 제거하고 pH 값을 각각 5~7로 조정합니다. 생성물을 부탄올로 3회 추출하였다. 마지막으로, 생성물을 농축하고 회전 증발에 의해 건조시켰다. 1 TCP의 H NMR 스펙트럼은 각각 4.12, 6.98–7.02 및 7.46–7.57 ppm에서 -OH, Ar-H(페닐) 및 -CH(피롤) proton과 같은 예상 신호를 보여주었습니다. 내부 코어 NH proton은 평면 구조의 18개 π-전자 시스템의 결과로 =− 3.34ppm에서 중수소 교환 가능한 광범위한 화학적 이동으로 나타납니다. IR(KBr, cm −1 ) 스펙트럼, -OH의 경우 3363, C-H의 경우 2927, 2852, C=C의 경우 1712(C=O), 1623, 1488 및 1376, COOH의 경우 1053은 TCP 구조를 확인합니다. 질량 스펙트럼은 m/z에서 분자 이온 피크를 나타냈습니다. =614.14 [M + 1] + . UV-vis [DMF, max/nm] 419nm에서 B-대역 및 553 및 598nm에서 Q-대역

두 번째로, ZnTCP의 합성은 다음과 같습니다. 0.544g의 포르피린과 0.20g의 아연 아세테이트를 DMF 용매에 용해했습니다. 혼합물 용액을 가열하고 연속적으로 교반하면서 오일 배스를 사용하여 150°C에서 2시간 동안 환류시켰다. 그런 다음 상온으로 냉각하고 생성물을 농축하고 보라색이 완전히 침전된 후 100-mL 탈이온수를 첨가하였다. 마지막으로 회전 증발과 meso로 물을 제거했습니다. -테트라(4-카르복시페닐)포르피린 아연(II)(ZnTCP)을 얻었다. 1 에서 ZnTCP의 H NMR 스펙트럼, 내부 코어 NH 양성자가 사라졌습니다. 다른 proton은 4.12, 6.98–7.02, 7.46–7.57 ppm에서 유사한 화학적 이동을 보였습니다. IR 스펙트럼에서 C=O 결합 진동의 급격한 피크는 약 1720cm −1 입니다. 사이클로사량체화 반응 후 강화됨, 3352cm −1 -OH, 2928, 2853cm −1 의 경우 C-H용, 1619, 1504cm −1 및 1378cm − 1 C=C, 1231 및 1017 cm −1 의 경우 C=O의 경우 ZnTCP의 구조를 확인했습니다. ZnTCP의 질량 스펙트럼 데이터는 m/z =678.11에서 강한 피크를 포함 [M + 1] + 부모 고리 이온의 경우. XPS 스펙트럼은 1021.5 eV의 결합 에너지를 갖는 2p1/2 Zn(II) 피크와 1045.6 eV의 결합 에너지를 갖는 2p3/2 피크의 존재를 입증했습니다. UV-vis [DMF, max/nm] 432nm에서 B-밴드 및 561 및 600nm에서 Q-밴드 ZnTCP의 합성 절차는 Scheme 1에 나와 있습니다.

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ZnTCP 복합체 합성의 개략도

ZnTCP에 민감한 TiO의 손쉬운 원팟 합성2 -HNB(ZnTCP@TiO2 -HNB)

TiOF2 사용 주형으로 에탄올을 용매로, 아연 포르피린을 증감제로 사용하고 TiO2 지지체로서의 속이 빈 나노박스, 노출된 고에너지 패싯이 있는 포르피린 감작 3D 계층적 이산화티타늄 속이 빈 나노박스가 위상 변환 프로세스를 통해 준비되었습니다. 일반적인 절차에서 300mg TiOF2 , 70mL 에탄올 및 3mg ZnTCP를 테플론 라이닝된 오토클레이브에 넣고 200°C에서 48시간 동안 반응시킨 다음 실온으로 냉각했습니다. 생성물을 회전 증발에 의해 농축하고 밤새 진공 하에 60℃에서 건조시켰다. 그런 다음, 얻어진 생성물을 T-1p로 표시하였으며, 여기서 1은 ZnTCP/TiOF2를 나타냅니다. 질량비. 비교를 위해 아연 포르피린의 양을 제외하고 다른 동일한 조건에서 다른 샘플도 합성했습니다. 그것들은 각각 T-0p, T-1p, T-2p, T-3p 및 T-5p로 표시됩니다. ZnTCP@TiO2의 원팟 합성 공정 -HNB는 Scheme 2에 표시됩니다.

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ZnTCP@TiO2 준비의 개략도 -HNB

특성화

푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)은 KBr 펠렛 기술을 사용하여 NeXUS 470 분광계에서 측정되었습니다. 이 촉매의 결정 구조는 0.05°s -1 의 주사율을 사용하는 분말 X선 회절(XRD)로 특징지어졌습니다. 2θ 단색 Cu-Ka 방사선을 사용하는 Bruker D8 Advance에서 10 ~ 80° 범위. X선 광전자 분광법(XPS)은 단색 Mg Ka를 사용하여 VG Multilab 2000 광전자 분광계에서 기록되었습니다. 2 × 10 −6 의 진공 상태에서 복사 Pa. 모든 결합 에너지는 표면 외래 탄소의 284.8 eV에서 C1s 피크를 참조했습니다. 준비된 샘플의 형태와 미세구조는 전계방출 주사전자현미경(SEM)(Hitachi, Japan)과 투과전자현미경(TEM)(Tecnai G 2 20, 미국). UV-vis 확산 반사 분광법(DRS)은 BaSO4를 사용하여 240~800nm에서 Shimadzu UV-2600 분광 광도계를 사용하여 수집되었습니다. 배경으로. 광발광(PL) 스펙트럼은 Hitachi F-7000 형광 분광 광도계에서 얻었습니다. 순환 전압전류법(CV) 측정은 외부 PC로 제어되고 실온에서 3전극 구성을 활용하는 전기화학 워크스테이션에서 수행되었습니다.

광촉매 측정

모든 광반응 실험은 자체 제작한 광촉매 반응기 시스템에서 수행되었으며, 준비된 샘플의 광촉매 활성은 유기 염료 RhB(1 × 10 -5 mol/L) 가시광선 조사에서 목표 오염물질로. 구체적인 과정은 다음과 같다:50-mg 광촉매 및 50-mL 초기 농도 5 × 10 −4 mol/L RhB 용액을 14cm 2 의 초음파 분산으로 원통형 반응 용기에 첨가했습니다. 평면 측면 및 7cm 높이, 그리고 혼합 용액을 암실에서 밤새 진동시켰다. 흡착 평형에 도달한 후 광촉매 반응은 광 필터(λ> 420nm) 가시광선에 의한 조명만 보장하기 위해 시스템을 실온에서 시스템을 유지하는 데 사용된 물로 지속적으로 냉각했습니다. 주어진 시간 간격으로 3.5mL 분취량을 수집하고 원심분리한 다음 분석을 위해 촉매 입자를 제거했습니다. 다양한 간격의 RhB 농도를 UV-vis 분광법으로 모니터링했습니다. 모든 측정은 실온에서 수행되었습니다.

광발광(PL) 기술은 촉매 분해 동안 생성된 활성 종을 연구하는 데 사용되었습니다. 귀중한 보고[38]에 따르면, coumarin, 4-chloro-7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole(NBD-Cl) 및 1,3-Diphenylisobenzofuran(DPBF)을 형광 프로브로 사용하여 검출했습니다. 하이드록실 라디칼(•OH), 슈퍼옥사이드 라디칼(•O2 - ) 및 일중항 산소( 1 O2 ), 각각. ZnTCP@TiO2 -HNB 촉매와 물이 반응하여 활성종인 하이드록실 라디칼(•OH)을 형성한 후 쿠마린에 빠르게 포획되어 강한 형광성을 갖는 7-하이드록시쿠마린을 생성합니다. 일반적으로 감지된 절차는 다음과 같습니다. 쿠마린(0.1mmol/L)을 포함하는 촉매 현탁액(1.0g/L)을 자기 교반 하에 혼합한 다음 밤새 진탕했습니다. 혼합물에 210W 크세논 램프를 조사하고 설정된 2분 간격(또는 4분 또는 15초)으로 샘플을 채취했습니다. 형광 분광 광도계를 사용하여 해당 파장으로 여기하여 여과액을 분석했습니다.

결과 및 토론

TEM 및 SEM 이미지

TiOF2의 형태 및 결정면 , TiO2 -HNB 및 ZnTCP@TiO2 -HNB 샘플은 그림 1과 같이 TEM에 의해 관찰되었습니다. 그림 1a는 TiOF2 평균 크기가 250nm인 균일한 고체 입방체 모양과 매끄러운 표면을 나타냅니다. 그림 1b와 같이 TiO2의 형태가 -HNB는 입방 TiOF2와 일치하는 평균 측면 길이가 260nm인 6개의 정렬된 면으로 구성된 균일한 속이 빈 상자 같은 모양으로 변형되었습니다. 주형. 그림 1c-f에서 주의 깊게 보면 ZnTCP@TiO2의 3D 중공 구조가 -HNB는 불소 유도 자기 변형 입방 TiOF2 동안 여전히 잘 정의된 상자 모양의 형태를 나타냅니다. ZnTCP에 민감한 TiO2 속이 빈 상자의 표면에 덮인 털이 많은 ZnTCP 촉수로 모양이 좋은 속이 빈 나노박스 프로세스[39]. 격자 무늬가 약 0.235nm임을 확인하기 위해 HRTEM 이미지(그림 1g의 삽입물 참조)를 얻었으며, 이는 아나타제 TiO2의 고에너지 {001} 결정자 면과 잘 일치합니다. . ZnTCP@TiO2의 표면 -HNB의 격자 다이어그램은 6개의 정렬된 지배적 노출면 나노시트로 구성된 3D 계층적 속이 빈 나노박스를 나타냅니다.

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합성된 촉매의 TEM 이미지:a TiOF2 , b TiO2 -HNB, c T-1p, d T-2p, e T-3p 및 f , T-5p

TiOF2의 표면 형태 , TiO2 -HNB 및 ZnTCP@TiO2 -HNB는 그림 2에 표시된 SEM 이미지에서 식별되었습니다. 그림 2a는 균일하고 완전한 입방체 TiOF2로 구성됩니다. TEM 이미지와 일치합니다. 그림 2b와 같이 TiO2의 이미지는 -HNB는 TiOF2 템플릿에서 파생된 잘 형성된 중공 상자 형태를 보여주었습니다. 위상 변환 절차의 큐브 및 6개의 정렬된 TiO2로 둘러싸여 있습니다. 나노시트 어레이. 그림 2c–f에 표시된 것처럼 모든 ZnTCP@TiO2 -HNB 샘플은 또한 나노박스의 표면에 Zn(II) 포르피린의 털이 많은 촉수가 덮인 완전히 속이 빈 상자형 구조를 나타냈으며, 이는 TEM 결과와 잘 일치하여 입방체 TiOF로부터의 성공적인 원팟 토폴로지 변환 프로세스를 암시합니다. 2 TiO2로 ZnTCP가 있는 속이 빈 나노박스.

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준비된 촉매의 SEM 이미지:a TiOF2 , b TiO2 -HNB, c T-1p, d T-2p, e T-3p 및 f T-5p

그림 3에 설명된 것처럼 Zn(II)-포르피린에 민감한 3D TiO2의 가능한 형성 메커니즘 속이 빈 나노박스(ZnTCP@TiO2 -HNBs)는 템플릿 참여를 포함하는 토폴로지 변환 프로세스를 통해 제안되었습니다. 에탄올은 탈수 반응(식 1, 주)과 ZnTCP와 에탄올 사이의 에스테르 반응(식 2)이 H2를 공급하는 용매를 사용하여 온화한 반응 조건을 제공했습니다. O 및 입방 TiOF2의 가수분해 촉진 , 위상적으로 아나타제 TiO2로 변환할 수 있습니다. 용매열 반응 동안 속이 빈 상자 모양의 나노결정(식 3). F - 의 흡착 때문에 TiO2 표면의 이온 나노결정은 (001)면의 표면 에너지를 급격히 감소시킬 수 있으며, 불소 이온은 고에너지 아나타제 TiO2의 형성을 촉진합니다. 나노시트이며 전구체 TiOF2 TiO2로 변형 가능 고에너지(001) 면이 노출된 6개의 정렬된 나노시트로 속이 빈 나노박스 어셈블리. ZnTCP의 주변 테트라카르복실기는 지지체 TiO2에 결합된 강한 에스테르 결합을 형성했습니다. -HNB(Eq. 4).

$$ {\displaystyle \begin{배열}{l}{\mathrm{TiO}\mathrm{F}}_2+2{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{O}\ mathrm{H}\circledR {\mathrm{TiO}}_2+2\mathrm{HF}+2\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2\left({\mathrm{CH}}_3{\ mathrm{CH}}_2{\mathrm{OCH}}_2{\mathrm{CH}}_3\right)\\ {}\mathrm{알코올}\;\overset{\mathrm{탈수}}{\to}\;\mathrm{alkene}\ \left(\mathrm{ester}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\end{array}} $$ (1) $$ \mathrm{Zn} \left(\mathrm{II}\right)\hbox{-} \mathrm{porphyrin}\hbox{-} \mathrm{COOH}+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm {O}\mathrm{H}\circledR \mathrm{Zn}\left(\mathrm{II}\right)\hbox{-} \mathrm{포르피린}\hbox{-} {\mathrm{COOCH}}_2{ \mathrm{CH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (2) $$ {\mathrm{TiO}\mathrm{F}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm {O}={\mathrm{TiO}}_2\left(\mathrm{anatase}\ \mathrm{crystal}\right)+2\mathrm{HF}\left(\mathrm{in}\ \mathrm{situtransformation} \right) $$ (3) $$ \mathrm{Zn}\left(\mathrm{II}\right)\hbox{-} \mathrm{포르피린}\hbox{-} \mathrm{CO}\mathrm{OH }+{\mathrm{TiO}}_2\hbox{- } \mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{Zn}\left(\mathrm{II}\right)\hbox{-} \mathrm{포르피린}\hbox{-} \mathrm{CO}\hbox {-} \mathrm{O}\hbox{-} {\mathrm{TiO}}_2 $$ (4) <그림>

Zn(II) 포르피린 감작 TiO2의 제안된 형성 과정 -HNB(ZnTCP@TiO2 -HNB)

XRD 분석

TiO2의 결정면이 -계 촉매는 광촉매 특성에 있어 매우 중요한 역할을 합니다. 그림 4는 준비된 모든 샘플의 XRD 패턴 분석을 보여줍니다. TiOF2에 상대적인 곡선 보기 TiOF2의 전구체, {100}, {200} 및 {210} 결정면 2θ에 해당 =24.05°, 48.34° 및 54.45°가 명확하게 관찰되었습니다. 모든 TiO2용 샘플, 2θ에서 넓은 피크 =25.37°가 관찰되었으며, 이는 아나타제 TiO2의 평면 회절에 해당합니다. (JCPDS No. 21–1272), TiOF2의 회절 피크에 기인하는 24.05°와 다름 , 모든 샘플이 TiOF2를 사용하여 토포택틱 변환 프로세스를 성공적으로 완료했음을 나타냅니다. 템플릿으로 [40]. F 로 인해 형상 조절제로 이온, 금홍석 TiO2 없음 합성 과정에서 형성된 패턴. TiO2와 비교 -HNB(T0p), Zn(II) 포르피린 감응 TiO2의 {101} 및 {200} 결정면에 대한 회절 피크 -HNB 샘플은 더 날카로워지며 결정화 정도가 높아짐을 암시하는데, 이는 Zn(II) 포르피린 양의 증가가 TiO2 사이의 에스테르 화학 결합의 농도 증가를 초래했다는 사실에 기인합니다. ZnTCP의 표면 수산기 및 주변 테트라카르복실기. TiO2의 다른 특징적인 회절 피크 XRD 패턴의 샘플은 피크 모양의 이동이나 변화를 나타내지 않았으며, 이는 ZnTCP 수정 및 민감화가 TiO2의 결정 구조를 변경하지 않았음을 나타냅니다. -HNB.

<사진>

준비된 샘플의 XRD 패턴

ZnTCP@TiO2의 결정자 크기를 더 조사하려면 -HNB 샘플, Scherrer 방정식은 회절 피크를 기반으로 사용되었습니다[41, 42]. 표 1에 설명된 바와 같이 모든 샘플은 SEM 및 TEM 측정과 잘 일치하는 구조 분석에 따라 약 260nm에서 평균 입자 크기를 나타냅니다. 그러나 "d ” ZnTCP@TiO2의 공간 값 -HNB 샘플은 TiO2에 비해 증가하지 않았습니다. -HNB, 준비된 ZnTCP@TiO2의 단위 셀 치수를 의미 -HNB 촉매는 Zn(II) 포르피린 감작 절차 동안 변경될 가능성이 없습니다.

UV-vis 분광법

그림 5는 5 × 10 −4 에서 ZnTCP의 솔루션 UV-vis 스펙트럼을 보여줍니다. mol/L DMF 용액(a) 및 ZnTCP@TiO2의 UV-vis 확산 반사 분광법(DRS) -HNB 샘플 및 BaSO4 참조 샘플(b)로 사용되었습니다. As Fig. 5a displayed, the strong 432 nm absorption peak was ascribed to the characteristic B-band absorption of porphyrin rings, whereas weaker 561 nm and 600 nm peaks in the visible region were attributed to the characteristic Q-band absorption of ZnTCP, implying the successful synthesis of porphyrin ring. Compared to Fig. 5a, the Q-band absorption peaks of ZnTCP was red-shifted to 660 nm into the longer wavelength visible region after sensitization to TiO2 . Because there is a presented strong interaction force between zinc porphyrins and TiO2 -HNBs after hydrothermal reaction, which provides favorable prerequisites for the degradation of organic dyes under the visible-light irradiation. TiO2 -HNBs displayed less absorption above its fundamental absorption edge (> 400 nm), while Zn(II) porphyrin-sensitized TiO2 samples displayed an obvious broad visible-light absorbance, as described in Fig. 5b, and the absorption intensities of ZnTCP@TiO2 -HNBs samples were gradually enhancing much stronger as Zn(II) porphyrin amount increased. In addition, the color of as-prepared samples become deepened gradually from white to blue purple with the increasing of mass ratio of ZnTCP/TiO2 -HNBs, and it was widely accepted that the purple coloration cause Zn(II) porphyrin-sensitized samples resulted into enhanced visible-light absorption. To further investigate the bandgap in each sample, the energy gap (eV) threshold was obtained using the transversal method, and the graph of the transformed Kubelka-Munk function against the photon energy for samples T-2p and TiO2 -HNBs are displayed in Fig. 5c. According to the transformed Kubelka-Munk function plot, the energy gaps of E g (T-2p)E g (TiO2-HNBs) are 2.83 and 3.08 eV, respectively. The reduced bandgap arises because ZnTCP can form a local energy state between the valence and conduction bands as ZnTCP concentration increases, which reduce the forbidden band width and the electron transition energy. Meanwhile, we find that the ZnTCP self-doped samples also exhibit very strong UV absorption, which indicates ZnTCP self-doping not only enhances the visible-light response of the catalysts, but also improves their UV light absorption. Thus, it can be predicted that more photo-generated electrons and holes can be excited and can participate in photocatalytic reactions, which is attributed to the increased probabilities of activation by UV and visible light.

UV-Vis spectra of ZnTCP in 5×10 −4 mol/L DMF solution. UV-vis diffuse reflectance spectra (DRS) of all the samples. ( ) Estimated optical absorption edges for the T-2p and TiO2-HNBs

FT-IR Spectra Analysis

FT-IR spectra analysis is a powerful tool to identify characteristic functional groups [43]. Figure 6 displays the FT-IR spectra of ZnTCP, TiO2 -HNBs, and T-2p. Looking at the spectra relative to ZnTCP, the broad band at 3443 cm −1 is assigned to the stretching vibration of the -OH in the peripheral t carboxyl groups, the characteristic absorption peak of C=O at 1720 cm −1 . The stretching vibration of Ar-H bond is clearly observed at 2995 cm −1 . Furthermore, the spectra of ZnTCP show the characteristic absorption peak of benzene ring at 1620 and 1469 cm −1 relative to ZnTCP [44].

FT-IR spectra of TiO2 -HNBs, ZnTCP, and T-2p sample

Seeing from the spectra relative to TiO2 -HNBs, the stretching vibration and bending vibration of the absorption H2 O and Ti–OH group on the surface of samples were found about 3446 cm −1 and 1627 cm −1 , 각각. The stretching vibration of Ti-O-Ti is observed at 1388 cm −1 , and the adsorption peaks around 521 cm −1 is assigned to the bending vibrations of Ti-O bond.

Compared to ZnTCP and TiO2 -HNBs, the T-2p spectra features the characteristic stretching/bending vibration of the Ar-H bond at 2996 cm −1 and 1386 cm −1 attributed to Ti-O-Ti bond. Furthermore, the spectra of T-2p shows the characteristic absorption peak of phenyl ring at 1621 and 1468 cm − 1 corresponding to ZnTCP, indicating the existence of ZnTCP on the surface of sensitized TiO2 [44]. However, the signal corresponding to -OH vibration peak disappeared, which demonstrates the formation of ester chemical bond between ZnTCP and TiO2 . The stretching vibration of the C=O bond of ester group is clearly observed at 1713 cm −1 [45], further confirmed ZnTCP combined to TiO2 -HNBs composites. The above information indicates that the TiO2 -HNBs surface has been successfully functionalized with ZnTCP molecules. After sensitization, the spectra of T-2p show an increased intensity of the stretching vibration peak at 520 cm −1 and the characteristic absorption bands in the region of 1200~1060 cm −1 attributed to the CO-O-Ti bond resulting from the esterification between COOH of ZnTCP and OH of TiO2 [46]. This reveals that the strong interaction (conjugated chemical bonds) between ZnTCP and TiO2 -HNBs was established rather than simple physical adsorption. The results displayed on FT-IR spectra were in accordance with the photocatalytic performance of these catalysts, suggesting that the strong conjugated chemical bonds between ZnTCP and TiO2 greatly contribute to the improvement of the photocatalytic activity as a transferring electrons bridge.

XPS Analysis

To further investigate chemical environments of as-prepared catalysts, the X-ray photoelectron spectra (XPS) measurements of TiO2 -HNBs and T-2p were carried out [43]. As shown in full spectra of Fig. 7a, two elements including Ti and O were both observed at the corresponding positions, respectively. Figure 7b–f displayed the high-resolution XPS spectra of the corresponding element of two samples.

The full spectra of all kinds of elements in sample TiO2 -HNBs and T-2p; the high-resolution Ti 2p XPS signals of TiO2 -HNBs and T-2p; the O1s XPS signals of TiO2 -HNBs and T-2p; d the C1s O1s XPS signals of TiO2 -HNBs and T-2p; the N1s XPS signals of T-2p; the Zn 2p XPS signals of T-2p; the C XPS-peak-differentation-imitating analysis

The high-resolution Ti 2p XPS signals of TiO2 -HNBs in Fig. 7b consisted of two binding energy levels of Ti 2p1/2 and 2p3/2 at 464.24 and 458.54 eV with a separation energy of about 5.70 eV. However, the binding energy levels of Ti 2p1/2 and 2p3/2 XPS peaks of T-2p exhibited at 465.08 and 459.38 eV, which shift 0.84 eV toward the lower energy region compared to TiO2 , indicative of a partial charge transferred from the surface C=O ester moiety to Ti 4+ centers, which was probably due to the strong interactions between ZnTCP molecules and TiO2 .

As shown in Fig. 7c, the O1s XPS signals of TiO2 -HNBs and T-2p displayed at 529.72 and 529.91 eV respectively, with a deviation energy of nearly 0.19 eV. The shifting of lattice oxygen peaks in T-2p toward lower energy, compared to TiO2 standard, further verified the different chemical environment due to ZnTCP sensitization. As displayed in Fig. 7d, the C 1s of T-2p appeared the distinct peaks at 284.6 eV, which were ascribed to C=O (and COO) bonds in the peripheral tetracarboxyl group, further confirmed that ZnTCP was well bonded on the surface of TiO2 . It was found that the weak peak at 401.15 eV of T-2p in Fig. 7e was attributed to N1s of the N=N- bond in the porphyrin ring. The Zn 2p binding energy signals of T-2p appeared at 1021.5 eV and 1044.46 eV in Fig. 7f, which are basically consistent with the complex molecular structure of ZnTCP, further implying it well impregnated onto the surface of TiO2 . Figure 7g shows the XPS spectra of C 1s region for samples. In Fig. 7g, the peak with a binding energy of 284.6 eV can be attributed to the C–C bonds, while the deconvoluted peaks centered at the binding energies of 286.5, 288.3, and 289.6 eV can be assigned to the C–O, C=O, and O=C–OH functional groups, respectively. C 1s spectra for the ZnTCP@TiO2 -HNBs composite are shown in Fig. 7. In the spectrum of ZnTCP@TiO2 -HNBs, all peaks from oxygen-containing functional groups decreased dramatically in intensity or even disappeared entirely, indicating a significant reduction of GO by solvothermal treatment. In addition, an additional shoulder peak was found, which was usually assigned to the formation of a chemical bond between a carbon atom and a titanium atom in the lattice of TiO2 -HNBs, which resulted information of Ti–O–C bonds.

Photocatalytic Activity of ZnTCP@TiO2 -HNBs Catalysts

The photocatalytic activity of ZnTCP@TiO2 -HNBs was evaluated by measuring the degradation with RhB as a probe molecule. Figure 8a exhibits the degradation curve of RhB under simulated sun light conditions with as-prepared ZnTCP@TiO2 -HNBs catalysts. It is clearly observed that, after the adsorption-desorption equilibrium process, the self-degradation of probe molecule RhB can be negligible and the visible-light degradation activities of ZnTCP-sensitized TiO2 -HNBs samples indicates much higher photocatalytic efficiencies than TiO2 -HNBs and ZnTCP under visible-light irradiation (λ ≥ 420 nm), which depends on the concentration of RhB versus visible-light irradiation time. The T-2p sample shows highest photocatalytic activity with RhB degradation rate of 99% after 2 h under visible-light irradiation, resulting from its enhanced visible-light response. However, the TiO2 -HNBs (T-0p) shows little decomposition rate of RhB under the same reaction conditions. In this process, the order of degradation rate is T-2p> T-3p> T-1p> T-5p> ZnTCP>TiO2 -HNBs.

The C t /C0 vs. time curves of RhB photodegradation under visible-light irradiation. The apparent first-order rate constant of RhB photodegradation. Cyclic degradation curve of T-2p. d The XRD before and after recycles of T-2p

It is well accepted that the slopes for the curve of RhB intensity versus illumination time (rate constant) represent the photodegradation activity of the samples. Therefore, the exponential curve of the degradation RhB under visible-light irradiation was fitted in Fig. 8b, and the degradation kinetics of RhB was described by the first-order kinetics curves. Degradation experiments followed the first-order kinetic equation ln(C0 -C) = − Kt  + b (in which K is the apparent first-order rate constant and t is the reaction time). By comparing the rate constants (K values) of ZnTCP-sensitized TiO2 -HNBs catalysts, we can see that the rate constants of these catalysts increase first and then decrease with the ZnTCP/TiO2 -HNBs mass ratio increase. Observed from the rate constants histogram (Fig. 8b), we can find that T-2p reveals the highest visible-light photocatalytic activity (rate constant of 0.7139), which is 3.6 times higher than that of TiO2 -HNBs (T-0p) (rate constant of 0.19841); furthermore, the photocatalytic rate constants of other ZnTCP@TiO2 -HNBs samples are basically larger than that of TiO2 -HNBs.

The possible reasons is that may be because ZnTCP-sensitized TiO2 -HNBs can extend the absorption wavelength range of TiO2 -based catalysts, reducing the bandgap of TiO2 , and facilitate the effective separation of the electron-hole pairs generated by TiO2 -HNBs after absorbing visible light, thereby improving the utilization of electron-hole pairs. However, too much ZnTCP-sensitized parts may result in the increase of defects on the surface of TiO2 -based catalyst, resulting in a rapid recombination center of photogenerated electrons and holes, thereby decreasing the photocatalytic activity.

In order to investigate the long-term stability of as-prepared ZnTCP@TiO2 -HNBs, the photocatalysts were recycled after each photocatalytic degradation experiment and then were reused in the next run after washing treatment. Figure 8c shows sample T-2p were recycled to 5 rounds after bleaching RhB under visible-light irradiation; as the number of photodegradation cycles increased, the photocatalytic rate of RhB still maintained a high catalytic activity, indicating that the active site of ZnTCP@TiO2 -HNBs surface did not decrease, and the composite photocatalyst has good photocatalytic stability under visible-light irradiation. The strong bridging ester bond-linking leads to a slower decrease of the degradation efficiency for sample T-2p. These results further demonstrate that ZnTCP can establish a steady chemical bridging bond-linking interaction between ZnTCP and TiO2 -HNBs, thus enhancing the visible-light photocatalytic performance, stability, and recyclability of ZnTCP@TiO2 -HNBs. XRD shows that the T-2p is still anatase type and did not change the crystal type after many cycles, further verifying the stability of the catalyst (Fig. 8d).

PL Analysis

In order to study the active species generated during photocatalytic degradation, the coumarin, 4-chloro-7-nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole (NBD-Cl), and 1,3-diphenylisobenzofuran (DPBF) were used as the hydroxyl radical (•OH), superoxide radical (•O2 - ), and singlet oxygen ( 1 O2 ) fluorescent probe molecules, respectively. Figure 9a displays the active species of hydroxyl radical detection map with T-2p as photocatalyst. As shown in Fig. 9a, the fluorescence emission wavelength was centered at 450 nm and the fluorescence intensity gradually increased, indicating the concentration of •OH group was increasing with the increase of illumination time. The reason is due to the fact that the continuously generated •OH active group and coumarin react to obtain 7-hydroxycoumarin, the amount of the reaction is gradually increased, and the fluorescence intensity is gradually increased [44, 45].

Fluorescent detection of active species •OH (a ), •O2 - (b ), and 1 O2 ( ) with T-2p as photocatalyst

It is well accepted that quantification of superoxide ion concentration can be monitored its reaction with 4-chloro-7-nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole (NBD-Cl) by measuring its fluorescence emission intensity at 550 nm using an excitation wavelength of 470 nm. According to Fig. 9b, it can be found that the fluorescence emission wavelength was centered 550 nm and the fluorescence intensity gradually decreased with the increase of illumination time. In the presence of NBD-Cl, the degradation rate is not obviously increased. The results indicate that •OH radical is hardly generated, while •O2 - is the significant active species generated in the system. More e can react with O2 to form superoxide radical •O2 - instead of the rapid recombination with h + , which further improves the photodegradation activity and testifies the catalyst can generate the active species •O2 - .

In addition, a typical fluorescence method for detecting singlet oxygen ( 1 O2 ,) by using 1,3-diphenylisobenzofuran (DPBF) as a probe molecule is proposed, which exhibited a strong fluorescence spectrum with a maximum at 455 nm when excited at 410 nm. As shown in Fig. 9c, the fluorescence emission wavelength was centered 455 nm and the fluorescence intensity gradually increased with the increase of illumination time. Based on the above observation, it can be concluded that the photocatalyst produces a certain amount of singlet oxygen in the light condition. To sum up, the ZnTCP@TiO2 -HNBs catalyst can generate •OH, •O2 - , and 1 O2 active species during the photodegradation process under visible-light irradiation.

Electrochemical Analysis

To attain more insights into photocatalytic transformation for oxidation degradation organic pollutants, the electrochemical properties of ZnTCP and ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) in DMF were investigated with cyclic voltammetry (CV) on a glassy carbon electrode using tetrabutylammonium perchlorate as supporting electrolyte. It can be clearly seen that two complete oxidation and reductions processes for ZnTCP observed from the potential window are shown with blue dashed lines in Fig. 10. Furthermore, ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) distinctly displayed similar two oxidation processes resulted from the ZnTCP center with red dashed lines [39]. The oxidation-reduction electrochemical behavior of ZnTCP complexes mainly occurred on the porphyrins ring and did not involve the change in the valence state of the central metal ions, which were good agreement with our previous reported [47]. However, the oxidation degradation reaction of ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) was very similar as that of ZnTCP, which indicated the photocatalytic transformation mainly happened on the porphyrin ring, not relative to the center zinc ion and TiO2 -HNBs. These results further confirm that the strong interaction, such as conjugated ester chemical bonds between TiO2 -HNBs and ZnTCP, was established rather than simple physical adsorption interaction.

Cyclic voltammetry analysis of 1.0 × 10 −3  mol dm −3 of ZnTCP and T-2p on Pt in 0.1 mol dm −3 TBAP/DMF vs. SCE. Scan rate:0.1 V s −1

Proposed Probable Photocatalytic Mechanism

Much effort has been devoted to illustrate the photocatalytic mechanism for oxidation degradation organic pollutants. In order to speculate the photodegradation mechanism, the main oxidative species in the photocatalytic process was firstly detected through radical and hole trapping experiments by using EDTA (hole h + scavenger), p -benzoquinone (BZQ, superoxide radical •O2 - scavenger), iso -propyl alcohol (IPA, hydroxyl radical •OH scavenger) and 1,3-diphenylisobenzofuran (DPBF, singlet oxygen 1 O2 scavenger). Figure 11 shows the Ct/C0 vs. time curves of different reactive species scavengers on the photodegradation of RhB under visible-light irradiation.

The C t /C0 vs. time curves of different reactive species scavengers on the photodegradation of RhB under visible-light irradiation

As displayed in Fig. 11, the photocatalytic degradation of RhB was apparently restrained after the injection of the active species scavenger. Taking the decreasing photodegradation rate into consideration, it can be found that RhB degradation rate with ZnTCP as a photocatalyst mainly depended on active species of 1 O2 group according to the 1,3-diphenylisobenzofuran (DPBF) detection results. Furthermore, RhB photodegradation rate with TiO2 -HNBs as catalysts mostly depended on active species of h + and •OH group. However, it is very clear that RhB photodegradation rate with ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) as catalysts was influenced by all active species of hole (h + ), hydroxyl radical (•OH), superoxide radical (•O2 - ), and singlet oxygen ( 1 O2 ), further confirming ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) can generate these active species during the photodegradation process.

The probable photodegradation mechanism of organic dyes with ZnTCP-sensitized TiO2 -HNBs as catalysts under visible-light irradiation is shown in Fig. 12. The degradation process generally consists of three moieties. The first part mainly involves the generation of singlet oxygen ( 1 O2 ). When irradiated by simulated sunlight, the inspired electrons of ZnTCP are transferred from the ground state of porphyrin [Pp] to the excited singlet state 1 [Pp]* [47], and then, relaxation of the singlet excited state generates the triplet excited state 3 [Pp]* through a process of intersystem crossing. Electrons from 1 [Pp]* and 3 [Pp]* excited states are trapped by the adsorbed O2 to form singlet oxygen ( 1 O2 ), which can cause RhB degradation into pieces of small organic molecule or mineralization to CO2 .

Proposed probable photocatalytic mechanism of ZnTCP@TiO2 -HNBs

In contract, superoxide radical (•O2 - ) can be generated in the second moiety. Biomimetic catalytic moiety of ZnTCP is not only responsible to generate singlet oxygen ( 1 O2 ), but also acts as electron bridges from 1 [Pp]* and 3 [Pp]* excited states transferred to conduction band (CB) of TiO2 -HNBs, which can be trapped further by the adsorbed O2 , resulting in formation of an amount of •O2 - causing photodegradation of RhB present on the surface of TiO2 -HNBs.

On the other hand, in the sensitization of porphyrins, the electrons of TiO2 are excited from valence band (VB) to conduction band (CB) forming electron-hole pairs (e -h + ) during the visible-light irradiation [48, 49]. The photogenerated holes transfer to the surface of TiO2 reacted with H2 O or OH , resulting in formation of hydroxyl radical (•OH). The photogenerated electrons are transferred to the surface of TiO2 trapped by the adsorbed oxygen molecule, obtained an amount of superoxide radical (•O2 - ), and these active species (•O2 - , •OH) mainly implement the degradation of organic dyes by its successive formation of intermediaries participated.

Thus, overall, a cooperative mechanism is proposed for the degradation of organic dyes involving three components of photocatalytic system. The enhanced visible-light photodegradation activities of Zn(II)TCP@TiO2 -HNBs compared to ZnTCP and TiO2 -HNBs might be related to synergetic generation of three active species (•O2 - , •OH, and 1 O2 ), resulting in more higher efficient photocatalytic activities.

결론

A facile one-step solvothermal treatment via a topotactic transformation process was employed to synthesize a series of visible-light-driven biomimetic photocatalysts based on ZnTCP-sensitized TiO2 hollow nanoboxes assembled by six ordered nanosheets with high-energy {001} facets dominant exposure. ZnTCP played an important role in formation ester bonds to construct 3D hollow nanoboxes and transfer photogenerated electrons to sensitize TiO2 -HNBs for enhancing visible-light response. Due to synergistic visible photodegradation mechanism of biomimetic catalyst, which can produce not only hydroxyl radical (•OH) and hyperoxygen radical (•O2 - ) TiO2에서 , but also singlet oxygen ( 1 O2 ) generated by biomimetic enzyme porphyrin, the photocatalytic degradation RhB rate constants of ZnTCP@TiO2 -HNBs (T-2p) were greatly enhanced with a degradation yield of 99%, much larger (3.6 time) than TiO2 -HNBs under visible-light irradiation. This novel approach is expected to provide a perfect reference for perfect dye-sensitized method to synergistically fabricate other surface modification TiO2 -based composites, which is of great value with promising application for purifying domestic sewage.

약어

3D:

3차원

이력서:

순환 전압전류법

DRS:

UV-vis diffuse reflectance spectroscopy

IR:

Infrared spectra

PL:

광발광

SEM:

주사 전자 현미경

TEM:

투과 전자 현미경

TiO2 -HNBs:

TiO2 hollow nanoboxes

UV-vis:

UV-vis spectroscopy

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절

ZnTCP:

Zinc(II) meso -tetra(4-carboxyphenyl)porphyrinato

ZnTCP@TiO2 -HNBs:

Zinc(II) meso -tetra(4-carboxyphenyl)porphyrinato-sensitized TiO2 hollow nanoboxes


나노물질

  1. 향상된 약물 전달을 위한 나노섬유 및 필라멘트
  2. TiO2 나노유체를 향하여 - 1부:준비 및 특성
  3. 작은 셀레늄 나노결정 및 나노막대의 손쉬운 합성 및 광학적 특성
  4. Ag로 장식된 SnO2 미소구체의 One-Pot Green 합성:4-니트로페놀 환원을 위한 효율적이고 재사용 가능한 촉매
  5. CuS 나노입자로 코팅된 착색 및 전도성 CuSCN 합성물의 손쉬운 합성
  6. 종횡비가 다른 은 나노와이어를 쉽게 합성하고 고성능의 유연한 투명 전극으로 사용
  7. 광촉매 활성 및 안정성 향상을 위한 In2O3 나노입자 하이브리드 쌍둥이 육각형 디스크 ZnO 이종구조의 열수 합성
  8. 증발 유도 자체 조립 및 향상된 가스 감지 특성을 통한 웜홀 유사 메조포러스 주석 산화물의 손쉬운 합성
  9. Cu2ZnSnSe4 나노플레이트의 원팟 합성 및 가시광선 구동 광촉매 활성
  10. Co3O4 나노와이어의 친환경적이고 손쉬운 합성과 리튬 이온 배터리에서 그래핀을 사용한 유망한 응용