마이크로 광유체 칩 반응기에서 자기장 강화 광촉매 반응

결과 및 토론

240 min(4 h)의 긴 실험 결과는 Fig. 2a 및 6a에서 볼 수 있듯이 MOFC 반응기에서 MO의 광촉매 분해는 C/Co 붕괴율을 증가시켰습니다(그림 3). (모든 실험에 대해 5 μM 시작 농도)의 광촉매 분해는 다음 단계로 진행됩니다[17, 21]:

<리> (1)

TiO₂ + hν → TiO₂ (hVB ⁺ ) + TiO₂ (eCB ⁻ )

<리> (2)

TiO₂ (hVB ⁺ ) + H₂ O → TiO₂ + H ⁺ + 오 ⁻

<리> (3)

TiO₂ (hVB ⁺ ) + OH ⁻ → TiO₂ + *오

<리> (4)

MO + *OH → 분해산물

<리> (5)

TiO₂ (eCB ⁻ ) + O₂ → TiO₂ + *O₂ ^-

<리> (6)

*O₂ ^- + H ⁺ → *호₂

<리> (7)

MO + *HO₂ ^- → 분해산물

(a 적용 시 MO의 광촉매 분해 ) EA가 있거나 없는 수직 자기장 및 (b ) 다양한 자기장

실험 결과는 NM 필드가 MO의 총 열화 비율을 1.78배, (1-B_V)/(1-ref) 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 에틸알코올(EA) 첨가제를 포함하는 실험에서 4 h의 처리 시간 내에서 외부 자기장은 eCB에서 MO의 총 분해 비율을 증가시켰습니다 ^- 경로, (1-B_V_EA)/(1-EA).

측면 자기장(LM)을 적용하는 효과도 연구되었습니다(그림 2b). LM 필드의 크기는 자석의 다른 조합을 사용하여 변경되었습니다. 한 쌍의 자석은 TiO₂ 평면에 평행한 다양한 LM 필드를 제공합니다. 침적. 도 3b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 네오디뮴 자석(B-L)은 최대 90 ± 5 Oe의 자기장을 제공한다. 4쌍과 2쌍의 자석(각각 그림 3b의 B-4 L 및 B-2 L)도 MO의 광촉매 분해에 대한 자기장 강도 증가의 영향을 연구하는 데 사용되었습니다. 두 경우 모두 수직으로 적용된 자기장(B-V, 그림 3b 참조)을 사용하여 생성된 것과 비교하여 열화 효율이 증가했습니다. 수직으로 인가된 자기장의 크기는 ~ 1000 Oe로 측면 배열보다 훨씬 더 강력했습니다. 따라서 LM 필드의 적용으로 인한 MO의 광촉매 분해 향상은 NM 필드의 적용으로 인한 것보다 더 우수했습니다.

화학 반응 경로에 대한 자기장의 영향을 더 이해하기 위해 서로 다른 크기의 LM 필드 조건에서 EA가 있거나 없는 MO의 광촉매 분해를 조사했습니다(그림 4a). 0.16 mL EA를 20 mL 시험 용액에 첨가하였다. EA는 TiO₂에서 생성된 뜨거운 구멍의 청소부[22, 23] 역할을 했습니다. 254 nm 조명 조명 아래의 NP. 측면으로 적용된 자기장은 EA가 없는 MO의 광촉매 분해를 긍정적으로 향상시켰습니다. 그러나 EA를 사용한 실험에서는 LM 전계 강도 증가와 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았습니다. 추가된 EA는 빛에 의해 유도된 핫홀의 청소부 역할을 합니다(hVB ⁺ ). 반응 단계 2, 3, 6은 EA를 포함하는 실험에서 억제되었습니다. 그림 4a의 실험 결과는 eCB ^- 의 광촉매 반응 단계 5-7을 보여줍니다. 반응 경로는 LM 필드의 영향을 받지 않습니다.

실험 결과. 아 EA가 있거나 없는 다양한 자기장의 적용으로 인한 MO의 광촉매 분해. ㄴ 마이크로 광유체 칩 반응기에서 자기장 강화 광촉매 반응에서 유속의 영향

자기장 방향과 MO 분자의 암 흡착이 광촉매 반응에 미치는 영향을 더 이해하기 위해 그림 5a와 같이 반대 방향의 LM 필드를 사용하여 추가 실험을 수행했습니다. 그림 5a의 삽입된 그림은 증착된 P25 TiO₂에 의한 MO의 어두운 흡착을 나타냅니다. 실험의 첫 번째 시간에 UV 조명이 없는 NP. 반대 방향의 자기장(BM, FM)과 자기장이 없는 실험(No)은 암 흡착 단계에서 유사한 결과를 제공했습니다. 1 h의 암흑 흡착 후, UV 광이 켜지고 MO 광촉매 분해가 시작되었습니다. LM 필드를 사용한 MO 광촉매 열화는 그림 5와 같이 자기장이 없는 것(No)보다 처리 효율이 더 높았습니다.

암흑 흡수 및 OH에 대한 자기장 효과 ⁻ 이주. 아 BM 및 FM 적용 시 MO의 광촉매 분해. ㄴ 자기장에 의한 OH ⁻ 이동의 개략도 마이크로 광유체 칩 반응기에서. ㄷ OH ⁻ 의 개략도 BM의 경우 유체 채널의 정전기력에 의한 이동

도 1의 실험 결과로부터. 4, 5에서 OH ^- 의 강제이동은 (속도 v 충전 q =−e ) 자기력(F _나 =qv × B ) 광촉매 반응 효율을 향상시킵니다. Hagen-Poiseuille 방정식에 따르면 Poiseuille 평면의 유속은 다양한 위치에서 유동합니다(z ) 유체 채널의 측벽과 관련하여 간단히 v로 설명할 수 있습니다. _z =v ₀ z (h − z ) [24]; 여기에서 일반적인 미세 유체의 경우 v _z =0 상단(z =h ) 및 바닥 벽(z =0 ) 그림 6과 같이 가장 작은 채널 폭 축에서 미끄럼 방지 경계 조건으로 작용합니다. 따라서 v _최대 =v ₀ 마이크로플로우 채널의 절반 높이에서 (z =h/2 ). 외부 자기장이 가해지면 외부 자기장이 수산기 이온(OH ^- ) 증착된 TiO₂ 부근의 저속층에 축적되는 고속층으로부터 . 오 ⁻ 채널 경계에서의 농도(z =0, h )은 외부 자기장이 증가함에 따라 증가하며 "이온 응축"이라고 명명할 수 있습니다. 통계 역학에서 OH ⁻ 의 화학적 포텐셜 테스트 솔루션에서 μ =k _나 티 로그(n/n _질문 ) [25], 여기서 k _나 볼츠만 상수, n 는 OH ^- 의 농도입니다. , 및 n _질문 =[(M k _나 T/2πℏ ² )] ^3/2 는 OH ^- 의 양자 농도입니다. 온도 T에서 . 엠 는 OH ^- 의 질량입니다. . ℏ 감소된 플랑크 상수입니다. 따라서 화학 전위 μ_B =k _나 티 로그(n/n _질문 ) OH ^- z =0,에서 그리고 h 외부 필드 B에 의해 증가됩니다.

아 EA가 있거나 없는 다양한 자기장에서 MO의 광촉매 분해. ㄴ 마이크로 광유체 칩 반응기에서 자기장 강화 광촉매 반응에서 유속이 미치는 영향. ㄷ . 미세 유체에서 OH의 이온 축합 효과

BM의 경우 자기장은 OH ^- 이온이 고유속 중심 영역에서 퇴적되지 않은 TiO₂의 저속 상단으로 이동 . 축적된 OH ⁻ 이온은 그림 5c와 같이 유체 채널 벽 근처의 저유속 영역에서 확산되도록 서로 전기적으로 방출합니다. OH ^- 의 농도 증착된 TiO₂에 인접 따라서 점차 증가합니다. 이것은 OH ^- 의 물질 전달 속도를 간접적으로 향상시켰습니다. 입금된 TiO₂에 BM의 경우 자기장을 인가하지 않을 때보다 더 높은 효율로 광촉매 반응을 처리합니다.

그림 4b는 미세 광유체 칩 반응기에서 자기장 강화 광촉매 반응에 대한 유속의 영향을 보여줍니다. 결과는 하전 이온의 유속 또는 이동 속도의 증가(v ) 광촉매 분해 효율이 감소하고 유체 칩에서 이동하는 물질의 체류 시간이 감소합니다. 그들은 *OH의 생성 속도를 크게 감소시킵니다. 전반적으로 유속의 증가는 작지만 여전히 관찰할 수 있는 광촉매 반응의 고온 전자 경로의 감소를 초래합니다.

NM 필드의 경우(그림 3a), OH ^- 증착된 TiO₂에 평행한 평면에서 원형으로 강제 이동합니다. 층. 이것은 또한 그림 4와 같이 유체의 물질 전달 속도와 광촉매 처리 효율을 증가시킵니다. 그러나 EA의 첨가는 미세 유체에서 MO 광촉매 분해 경로의 핫홀 경로를 억제할 수 없습니다. 큰 자기장(~ 1000 Oe)은 OH ^- 의 이동 또는 축합을 넘어 복잡한 메커니즘으로 광촉매 반응을 향상시킬 수 있습니다. 미세 유체에서. 이는 거대한 자기장이 EA(hot-hole scavenger)를 추가하여 효과를 부분적으로 극복할 수 있음을 의미합니다.

참고 문헌에서 OANS 효과[16,17,18,19]는 광촉매 반응을 향상시키는 자기장 효과에 대한 책임이 있는 것으로 제안되었습니다. 자기장 보조 광촉매 반응에 대한 추가 실험은 그림 5와 동일한 실험 절차에 따라 용존 산소에 대해서도 처리됩니다. DO 값은 DO 미터(DO-5510, Lutron Electronic Enterprise Co. Ltd.)를 사용하여 측정되었습니다. . 원래 DO 수준은 테스트 용액에 공기를 버블링하여 변경되었습니다. 최종 C/Co는 DO 농도가 증가함에 따라 대략적으로 감소합니다. 따라서 자기 광촉매 반응의 처리 효율은 초기 DO에 따라 양의 값을 갖는다. 결과는 또한 Fig. 7b와 같이 용존산소 전과 후의 음의 차이는 공정에서도 산소 발생이 일어나고 있음을 의미한다. 이것은 산소의 광촉매 생성에서 비롯된 것일 수 있습니다.

다양한 농도의 용존 산소로 BM 및 FM을 적용한 MO의 자기장 영향 광촉매 분해. 아 최종 C/Co 및 b 공정 전후(사용) 용존산소의 차이

OANS 효과는 산소 분자가 염료 분자와 복잡한 화학 물질을 형성하고 외부 조명 및 자기장 하에서 광촉매 표면으로 끌어당길 수 있음을 시사했습니다. 이것은 자기 광촉매 반응을 향상시킵니다. 그러나 산소 생성은 유도된 hVB도 소모합니다 ⁺ . 따라서 OANS 효과와 산소의 광촉매 발생은 시험 용액의 초기 DO 농도가 낮을 ​​때 광촉매 MO 분해 효율이 낮습니다.