우리는 간단한 수열법으로 탄소 양자점(CQD)이 장식된 BiFeO3 나노입자를 제조했습니다. TEM과 XPS는 BiFeO3 표면에 균일한 CQD 부착을 확인했습니다. Acid orange 7(AO7)과 6가 크롬(Cr(VI))을 프로브 오염물질로 사용하여 가시광 및 근적외선(NIR) 조사 하에서 광-펜톤 분해와 광촉매 환원을 평가했습니다. CQD/BiFeO3 복합체는 AO7 제거에서 순수 BiFeO3보다 2배 이상, Cr(VI) 환원에서 최대 80% 향상된 성능을 보이며 우수한 재사용성을 유지했습니다. 광전류와 EIS 연구는 향상된 전하 분리를 보여주었고, 라디칼 포획 실험은 초산화물, 정공, 하이드록실 라디칼이 주요 반응종임을 확인했습니다. CQD 업컨버전, 전자 전달, 광-펜톤 시너지를 연결하는 메커니즘적 통찰을 체계적으로 논의했습니다.
중금속과 유기 염료를 함유한 산업 폐수는 심각한 환경 및 건강 위험을 초래합니다. 도금 및 태닝 공정에서 배출되는 6가 크롬은 높은 독성을 가지며, 많은 염료는 난분해성이며 발암성입니다. 광촉매와 광-펜톤 전략은 저비용, 넓은 기질 범위, 조작 단순성으로 매력적입니다. 그러나 넓은 밴드갭의 기존 광촉매는 UV 빛(태양 에너지의 ~5%)에만 반응하고 빠른 전자-정공 재결합을 겪습니다. 가시광과 NIR 빛은 각각 태양 스펙트럼의 ~45%와 ~46%를 차지하며, 지속 가능한 정화를 위한 더 큰 에너지 풀을 제공합니다.
BiFeO3(BFO)은 페로브스카이트 산화물로 유망한 가시광 광촉매이나, 빠른 전하 재결합과 무시할 만한 NIR 활성으로 성능이 제한됩니다. 탄소 양자점(CQDs)은 큰 비표면적, 우수한 전도성, 생체적합성, 독특한 업컨버전 발광을 제공하는 다재다능한 나노카본 첨가제로 부상했으며, 전자 수용체/공여체이자 NIR 반응성 감작제 역할을 동시에 수행할 수 있습니다. 선행 연구에서 CQD/BFO 복합체의 가시광 하 염료 분해 향상을 보였으나, 광-펜톤 활성이나 NIR 구동 촉매에 대한 체계적 조사는 보고되지 않았습니다.
여기서 우리는 CQD/BFO 하이브리드를 합성하고 AO7의 가시광 및 NIR 유도 광촉매 분해와 Cr(VI)의 광-펜톤 환원을 체계적으로 조사합니다. 본 연구는 CQD의 전하 분리, 업컨버전, 산화환원 활성에서의 역할을 규명하여 광대역 광촉매 설계를 위한 포괄적 프레임워크를 제공합니다.
CQD는 포도당(1g을 80ml 물에)의 수열 탄화로 180°C에서 4시간 합성했습니다. 결과적인 적갈색 분산액을 두 번 여과하여 큰 응집체를 제거했습니다.
BFO 나노입자는 폴리아크릴아마이드 겔 법으로 합성했습니다. CQD를 BFO(0.1g)에 초음파 처리 하에서 70ml 물 현탁액에 방울방울 첨가한 후 130°C에서 4시간 수열 처리하여 증착했습니다. CQD 부피(3, 6, 12, 24ml)를 변화시켜 3C/BFO, 6C/BFO, 12C/BFO, 24C/BFO 복합체를 제조했습니다.
CQD/BFO 복합체 합성의 개략도.
광촉매 및 광-펜톤 분해는 가시광(420nm 컷오프) 또는 NIR(800nm 컷오프) 조사 하에서 200ml AO7(5mg L−1) 용액에서 수행했습니다. 30분 흡착 평형 후 광-펜톤 시험을 위해 H2O2를 첨가했습니다. 반응 진행은 484nm에서 UV-vis로 모니터링했습니다. 재사용성은 세척 및 건조 후 반복 사이클로 평가했습니다.
Cr(VI) 환원 실험은 pH 2-3, 0.2g 촉매(1g L−1) 조건에서 200ml 용액(10mg L−1)을 사용했습니다. Cr(VI)은 디페닐카바지드(DPC) 법으로 정량했습니다.
테레프탈산(TA)과 ·OH로부터 생성된 2-하이드록시테레프탈산(TAOH)의 형광(여기 315nm)을 기록하여 조사 중 라디칼 생성을 정량화했습니다.
XRD, FTIR, TEM/HRTEM, DF-STEM, XPS, UV-vis DRS, PL, 광전류, EIS를 사용하여 상 순도, 형태, 조성, 광흡수, 전하 역학, 촉매 활성을 조사했습니다.
모든 시료는 단일 상이 없는 정방정계 BFO 상(JCPDS 74-2016)으로 결정화되었습니다. 낮은 로딩으로 CQD 피크는 관측되지 않았습니다.
BFO, CQD, 24C/BFO의 XRD 패턴.
FTIR 스펙트럼은 특징적인 Bi-O, Fe-O, C-O 진동을 확인하여 성공적인 CQD 통합을 입증했습니다.
BFO, CQD, 12C/BFO의 FTIR 스펙트럼.
UV-vis DRS는 CQD 로딩이 BFO 밴드 에지(~588nm)를 보존하면서 UV-vis 전역에서 흡수를 현저히 향상시킴을 보여줍니다. 1차 미분 분석은 밴드갭 변화가 없음을 확인하여, CQD가 밴드갭 수정자가 아닌 광수확 및 전하 전달 에이전트 역할을 함을 나타냅니다.
a DRS 스펙트럼; b 1차 미분 곡선.
XPS는 Bi3+, Fe3+/Fe2+, 격자 및 화학흡착 산소, CQD로부터의 C-C/C-O 결합을 확인하여 성공적인 복합체 형성을 입증했습니다.
12C/BFO의 고분해능 XPS.
TEM/HRTEM은 ~120nm BFO 구형 입자가 ~15nm CQD로 장식됨을 보여주었습니다. DF-STEM 원소 매핑은 BFO 표면에 균일한 C 분포를 확인했습니다.
BFO와 CQD/BFO 복합체의 TEM/HRTEM 및 DF-STEM 이미지.
가시광 하에서 12C/BFO는 3시간 내 73% AO7 분해를 달성하여 순수 BFO(33%)를 능가했으며 다른 CQD 로딩보다도 우수했습니다. 동일한 경향이 Cr(VI) 환원(3시간 내 최대 80%)에서도 유지되었습니다. H2O2를 이용한 광-펜톤 시험은 AO7 제거를 96%(12C/BFO)로 추가 증가시켰습니다. 촉매 재사용성은 3사이클 후 >90%를 유지했습니다.
NIR 조사에서는 순수 BFO가 무시할 만한 활성을 보인 반면, 12C/BFO는 35% AO7 분해, 63% Cr(VI) 환원, 49% AO7 광-펜톤 제거를 가능하게 하여 CQD의 NIR 감작제 역할을 강조했습니다.
a 가시광 AO7 분해; b Cr(VI) 환원; c 광-펜톤 AO7 분해; d 12C/BFO 재사용성.
a NIR AO7 분해; b NIR Cr(VI) 환원; c NIR 광-펜톤 AO7; d NIR 재사용성.
포획제 연구는 ·O2−가 광촉매 및 광-펜톤 경로 모두에서 지배적 종임을, h+와 ·OH가 유의미하게 기여함을 보여주었습니다. NIR 구동 공정도 이 라디칼들에 의존하여, CQD가 NIR 여기 하에서 전자를 생성하여 BFO로 전달함을 확인했습니다.
광전류 측정에서 12C/BFO는 가시광 하에서 BFO보다 ~3.5배 높은 전류 밀도를 생성했으며, EIS 나이퀴스트 플롯은 12C/BFO의 더 작은 반원을 보여 전하 이동 저항 감소를 나타냈습니다.
a 광전류 응답; b EIS 스펙트럼.
가시광 하에서 BFO는 전자-정공 쌍을 생성하며, 이는 CQD에 의해 효율적으로 분리되어 전자 공여체와 수용체 역할을 동시에 수행합니다. CQD 업컨버전은 NIR 여기 하에서 400-580nm 광자를 방출하여 BFO를 직접 여기시키고 추가 전하 캐리어를 생성합니다. 광-펜톤 사이클에서 H2O2는 표면 Fe2+와 반응하여 ·OH를 생성하고, 광생성 전자는 Fe3+를 다시 Fe2+로 환원하여 촉매 루프를 유지합니다. 이러한 시너지 공정은 현저히 향상된 AO7 분해와 Cr(VI) 환원을 설명합니다.
BiFeO3 나노입자에 CQD 장식이 AO7과 Cr(VI)를 향한 가시광 및 NIR 구동 광촉매와 광-펜톤 활성을 현저히 향상시킴을 입증했습니다. 개선은 향상된 전하 분리, 효율적 전자 전달, CQD 업컨버전에서 기인합니다. 복합체는 다중 사이클에서 높은 안정성을 유지하며, 지속 가능한 폐수 처리를 위한 유망한 후보로 자리매김합니다.
나노물질
요약 TiO2는 광음극 보호에 적합한 매력적인 반도체이나, 가시광선 흡수 약함과 낮은 양자 수율이 사용을 제한합니다. 본 연구에서는 새로운 이종구조 SnIn4S8 나노시트/TiO2 나노튜브 광양극을 제조하고 그 광음극 보호 성능을 분석했습니다. SnIn4S8 나노시트는 용매열 처리를 통해 TiO2 나노튜브 표면에 균일하게 증착되었습니다. SnIn4S8/TiO2 복합체는 순수 TiO2 나노튜브보다 우수한 광음극 보호 성능을 보였으며, 이는 좋은 가시광선 응답과 광생성 캐리어 분리 효율 덕분입니다. 또한, 복합체는 가시광선 조사 하에서
요약 공침법으로 다양한 농도의 Mg 도핑 ZnO 나노로드(NRs)를 제조했습니다. 본 연구의 목적은 ZnO의 광촉매 특성을 개선하는 것입니다. Mg 도핑이 ZnO의 구조, 상 구성, 작용기 존재, 광학적 특성, 원소 조성, 표면 형태 및 미세구조에 미치는 영향을 XRD, FTIR, UV-Vis 분광광도계, EDS, HR-TEM으로 각각 평가했습니다. 제조된 시료의 광흡수 스펙트럼에서 도핑에 따른 블루시프트 현상이 관측되었습니다. XRD 결과 육방 정방정계 위츠라이트 상이 확인되었으며, Mg 첨가 결정립 크기가 점차 감소했습니다. P
