Синтез и характеристика оксидов и титанатов на основе кальция и магния для фотокаталитической деградации родамина Б: сравнительное исследование

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3615 (2023) Цитировать эту статью

1386 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Настоящее исследование посвящено простому и экологичному синтезу CaO, MgO, CaTiO3 и MgTiO3 для фотокаталитического разрушения красителя родамина B. CaO получали из отходов скорлупы куриных яиц методом прокаливания, а MgO получали методом сжигания в растворе с использованием мочевины в качестве источника топлива. Кроме того, CaTiO3 и MgTiO3 были синтезированы простым и простым твердотельным методом путем тщательного смешивания синтезированных CaO или MgO с TiO2 перед прокаливанием при 900 °C. Рентгенографические и EDX исследования подтвердили фазовое образование материалов. Более того, FTIR-спектры показали существование Ca-Ti-O, Mg-Ti-O и Ti-O, что соответствует химическому составу предлагаемых материалов. СЭМ-микрофотографии показали, что поверхность CaTiO3 более шероховатая с относительно дисперсными частицами по сравнению с MgTiO3, что отражает более высокую площадь поверхности CaTiO3. Исследования методом спектроскопии диффузного отражения показали, что синтезированные материалы могут действовать как фотокатализаторы при УФ-облучении. Соответственно, CaO и CaTiO3 эффективно разлагали краситель родамин B в течение 120 мин с фотодеградационной активностью 63% и 72% соответственно. Напротив, активность фотокаталитической деградации MgO и MgTiO3 была значительно ниже, поскольку после 120 мин облучения разлагалось только 21,39 и 29,44% красителя соответственно. При этом фотокаталитическая активность смеси титанатов Са и Mg составила 64,63%. Эти результаты могут быть полезны для разработки потенциальных и доступных фотокатализаторов для очистки сточных вод.

Несмотря на то, что красители являются одними из самых вредных загрязнителей, они широко используются в тканевой, пищевой, пластмассовой, химической и таблоидной промышленности. Их сброс в водную среду оказывает серьезное воздействие на живые организмы1,2. Цвет уменьшает проникновение солнечного света через воду, что приводит к снижению фотосинтетической активности и замедлению развития биоты. Кроме того, красители имеют тенденцию связывать ионы металлов, что приводит к микротоксичности для рыб и других живых существ1,3.

Обычно красители практически не поддаются биологическому разложению, и их сложно удалить обычными методами. В этом контексте родамин B (RhB), принадлежащий к семейству ксантенов, является высокостабильным катионным красителем благодаря своей жесткой гетероциклической структуре4. Действительно, высокая стабильность красителя RhB полезна для различных промышленных применений, однако делает его разложение не простым и сложным5,6,7. В результате предоставление эффективных, экологически чистых и экономически выгодных решений для разрушения таких загрязнителей имеет решающее значение для долгосрочной жизнеспособности зеленой среды обитания. Это привело к использованию разнообразных методов для извлечения красителей из сточных вод, включая адсорбцию8,9,10, ультрафильтрацию11, химическое осаждение12, электрокаталитический распад13 и фотодеградацию3,14,15,16.

Фотокаталитическая деградация потенциально является одним из самых дешевых, экологически чистых и мощных методов очистки воды от загрязняющих красителей. Другими словами, чрезвычайно окислительные условия могут быть созданы без каких-либо дополнительных реагентов, единственным требованием является подача аэробного кислорода и источника светового облучения17,18. Электроны (e-), дырки (h+), гидроксильные радикалы (OH·) и супероксидные радикалы (O2·-) представляют собой поверхностно-активные вещества, которые могут образовываться в результате фотокаталитического разложения. Способность фотокатализаторов генерировать поверхностно-активные вещества19,20. Для фотодеградации загрязняющих веществ был предложен ряд материалов с каталитической активностью, таких как графитовый нитрид углерода (g-C3N4), TiO2, ZnO, CdS, CaO, MgO, CaTiO3 и MgTiO3, и это лишь некоторые из них3,5,7 ,15,21,22,23,24,25,26.

По сравнению с TiO2, оксиды перовскитного типа на основе титана со структурной формулой ABO3 в последнее десятилетие привлекают все больше внимания в фотокатализе благодаря своим интригующим фотофизическим свойствам. CaTiO3 и MgTiO3 используются в широком спектре применений, а именно в радарных телекоммуникациях, конденсаторах, термисторах, электронике, керамике, сверхпроводниках, нелинейной оптике, катализе, пьезоэлектрических и диэлектрических устройствах27,28,29,30. Кроме того, они обладают высокой фотокаталитической активностью по отношению к различным органическим красителям21,25. Ca и Mg являются одними из самых распространенных металлов на Земле, и их оксиды также можно синтезировать из отходов. Это делает их доступными для различных важных применений. Для синтеза CaO, MgO, CaTiO3 или MgTiO37,31,32,33,34 использовались несколько методов, таких как гидротермальный, золь-гель, механохимический, традиционный твердотельный и полимерный предшественник. Следует подчеркнуть, что каталитическая эффективность этих материалов во многом зависит от процедуры синтеза и их предшественников, которые, конечно, оказывают прямое влияние на конечную морфологию поверхности, активные центры и физико-химические свойства. Более того, эффективность этих фотокатализаторов сильно колеблется от одного красителя к другому7,25,35.