Сравнительное исследование TiO2

Aug 14, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12075 (2023) Цитировать эту статью

304 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью данного исследования было прямое сравнение традиционной гидротермальной и микроволновой обработки при синтезе фотокатализатора TiO2–Fe3O4, который является эффективным катализатором разложения метронидазола. Фотокатализатор прошел различные анализы характеристик, включая дифракцию рентгеновских лучей, рамановскую спектроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, энергодисперсионный рентгеновский анализ и спектроскопию диффузного отражения. Анализ рамановской спектроскопии показал, что материалы, полученные традиционной гидротермальной обработкой, состоят из отдельных фаз анатаза и магнетита. С другой стороны, в материалах, синтезированных с помощью микроволнового процесса, наблюдался заметный сдвиг полосы Eg (143 см–1) и ее полуширины в сторону больших волновых чисел. Вероятно, этот сдвиг обусловлен внедрением ионов Fe в решетку TiO2. Кроме того, как традиционные гидротермальные, так и микроволновые способы синтеза позволили получить системы TiO2–Fe3O4 с суперпарамагнитными свойствами, как показали магнитные измерения СКВИДа. Анализ ПЭМ показал, что материалы, синтезированные с использованием микроволнового процесса, обладают более высокой однородностью, при этом не наблюдается заметных крупных агрегатов. Наконец, в этой работе был предложен удобный светодиодный фотореактор, который эффективно использовал фотоокислительные свойства фотокатализаторов TiO2–Fe3O4 для удаления метронидазола. Сочетание фотоактивных катализаторов TiO2–Fe3O4 с энергоэффективным светодиодным реактором привело к низкой электрической энергии на заказ (EEO).

В нынешней глобальной ситуации крайне важно заботиться об окружающей среде в стремлении к климатической нейтральности. Эта цель лежит в основе Европейского зеленого курса1,2, который был принят всеми странами Европейского Союза. Однако важно также умело использовать имеющиеся энергетические ресурсы. Сейчас, более чем когда-либо, мир видит, что изменение нашей энергетической стратегии позволит достичь климатической нейтральности и обеспечить душевное спокойствие на мировых рынках электроэнергии. Кроме того, перед исследователями постоянно стоит задача рассмотреть более экологически чистые методы производства желаемой продукции3. Среди руководящих принципов зеленой химии желание использовать более безопасные растворители и энергоэффективность являются двумя ключевыми принципами, имеющими отношение к материаловедению4.

Диоксид титана является одним из наиболее широко изученных порошковых материалов в материаловедении: в базе данных Scopus имеется около 200 000 результатов (дата доступа 10 мая 2023 г.). Его популярность можно объяснить его превосходными фотокалитическими свойствами, которые делают его пригодным для фотоокисления органических загрязнителей. Однако использование диоксида титана при очистке промышленных сточных вод ограничено из-за определенных недостатков5,6. Одним из таких ограничений является сложность отделения TiO2 от смеси после обработки. Другой причиной является высокая скорость рекомбинации электронно-дырочных носителей заряда, что со временем снижает эффективность процесса7. Это влияет на общую производительность процесса и требует значительных инвестиций в отделение суспензии TiO2 для восстановления фотокатализатора для повторного использования в последующих процессах. Одной из возможных стратегий решения проблем, связанных с фотокатализаторами диоксида титана, является включение компонента, который может улучшить разделение материалов после процесса8,9. Магнетит (Fe3O4), представляющий собой смесь двух оксидов железа, обладает ферромагнитными свойствами из-за несбалансированного магнитного вклада электронов FeII и FeIII10. Сочетание свойств обоих оксидов позволяет создавать магнитные фотокатализаторы для использования при фотодеградации органических загрязнителей. Например, Чу и др.11 синтезировали стабильную систему ядро-оболочка TiO2@Fe3O4 на основе углерода, которая проявляла повышенные фотокаталитические способности. Аналогично, Гуо и др.12 разработали материал TiO2/Fe3O4/графен с повышенной активностью по удалению метиленового синего. Однако выбор подходящего метода синтеза, сохраняющего как фотоокислительную способность, так и магнитные свойства конечной системы, остается серьезной проблемой для исследователей13.