home Технология производства Производственное оборудование
Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Простое приготовление и характеризация массива нанотрубок TiO2, украшенных полианилином и CeO2, и его высокоэффективная фотоэлектрокаталитическая активность

Аннотация

В настоящей работе полианилин и CeO 2 совместно декорированный TiO 2 массивы нанотрубок (PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА) легко получали электрохимическим методом. Свежеприготовленные материалы были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновского дифрактометра (XRD) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Фотоэлектрокаталитическая активность полученных материалов была исследована с тетрабромбисфенолом A (TBBPA) в качестве целевого аналита, и данные показали, что PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА привели к гораздо более высокой фотоэлектрокаталитической эффективности, чем у других материалов. В оптимальных условиях скорость разложения TBBPA достигла максимального значения более 96% за 120 минут при моделировании солнечного облучения. Результаты показали, что CeO 2 и совместно модифицированный ПАНИ TiO 2 NTA могут сужать запрещенную зону, расширять отклик от ультрафиолетового (УФ) до видимого диапазона, увеличивать количество активных свободных радикалов, ингибировать скорость рекомбинации электронно-дырочных пар и, наконец, повышать эффективность разложения в сторону TBBPA благодаря присутствию Ce 3+ / Ce 4+ и ПАНИ. Более того, реакция разложения протекала по кинетике первого порядка, и скорости разложения повторных экспериментов составляли более 92% для десяти прогонов. Все эти результаты показали, что этот новый катализатор обладает огромным потенциалом в качестве мощного фотоэлектрокатализатора для удаления TBBPA и других загрязнителей.

Введение

Быстрое развитие индустриализации во всем мире привело к образованию различных загрязнителей, которые содержат различные виды токсичных веществ, включая неорганические или органические загрязнители. Токсическое действие этих загрязнителей представляет серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья человека и привлекает гораздо больше внимания. Поэтому больше внимания уделяется разработке эффективных и чистых технологий разложения этих загрязнителей. Фотокатализ, удобная, экономичная и усовершенствованная традиционная технология очистки, была важной технологией для удаления этих органических загрязнителей [1]. Когда задействована эта технология, основной частью является фотокатализатор. В последнее время гетерогенные фотокатализаторы, особенно TiO 2 и родственные материалы, привлекли наибольшее внимание из-за их низкой стоимости, стабильных химических, нетоксичных и узкозонных свойств. TiO 2 Каталитические материалы на основе доказали свою эффективность для удаления токсичных и опасных органических загрязнителей из загрязненного воздуха и воды, что имеет большое значение для защиты окружающей среды [2,3,4]. Тетрабромбисфенол A (TBBPA) является одним из бромированных антипиренов (BFR) и составляет примерно 60% от общего объема рынка BFR, которые обычно используются в одежде, игрушках, электронике, пластмассах, автомобилях и текстильных изделиях для снижения воспламеняемости. TBBPA содержится в различных матрицах, таких как вода, почва, воздух и отложения, и даже в человеческой крови и грудном молоке [5, 6]. Сообщается, что TBBPA серьезно влияет на здоровье человека как эндокринный разрушитель [7]. Следовательно, разработка технологий быстрого разложения TBBPA необходима как для мониторинга окружающей среды, так и для защиты здоровья человека.

Многие исследования показали, что TiO 2 есть своя слабость. Его относительно широкая запрещенная зона (~ 3,20 эВ) является основным ограничением для промышленного применения, что означает, что TiO 2 может быть активирован только облучением с длиной волны менее 387 нм и чувствителен к УФ-свету [8,9,10,11]. Во всем мире было предпринято множество исследований, таких как сенсибилизация, легирование ионов редких металлов, легирование металлоидов и сопряжение полупроводников [12,13,14,15,16], чтобы расширить область применения TiO 2 . Доказано, что благородные металлы Au, Ag, Pt и Pd, нанесенные на поверхность TiO 2 может изменять поверхностные свойства материала и повышать каталитическую способность [17, 18]. С другой стороны, оксид металла может быть другим эффективным функционализированным модифицирующим материалом. Ширина запрещенной зоны CeO 2 составляет приблизительно 2,92 эВ, а переменная валентность Ce, такая как Ce 3+ и Ce 4+ сделать CeO 2 обладают отличной способностью переносить электроны и препятствовать рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар, которые делают CeO 2 стать привлекательным модифицирующим материалом для повышения фотокаталитической способности TiO 2 [19,20,21]. Кроме того, главный исполнительный директор 2 легированный TiO 2 NTA могут производить определенное количество гидропероксирадикала (HO 2 •), который является одним из основных активных компонентов в процедуре разложения. Несмотря на эти преимущества, CeO 2 / TiO 2 катализаторы вряд ли демонстрируют намного более высокую фотокаталитическую активность из-за своей низкой удельной поверхности и ограничения массопереноса целевых загрязнителей. Полианилин (PANI) показал свои хорошие достоинства и нашел множество применений. В настоящее время некоторые исследователи синтезировали PANI / TiO 2 наноматериалы и подтвердили их выдающуюся стабильность благодаря простоте синтеза, низкой стоимости, химической стабильности и емкости накопления заряда [22, 23]. Более того, PANI может поглощать больше фотонов видимого света и инжектировать электроны в зону проводимости (CB) TiO 2 , который будет способствовать фотокаталитическому процессу [23].

Однако, насколько нам известно, TiO 2 уделялось меньше внимания. материал, легированный CeO 2 и покрытый PANI одновременно для фотодеградации TBBPA. В этой работе PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА были разработаны, чтобы продемонстрировать превосходство CeO 2 и ПАНИ на неисправном TiO 2 НТА. Как и ожидалось, PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА продемонстрировали значительно улучшенную активность фотоэлектродеградации по сравнению с чистым TiO 2 НТА, Генеральный директор 2 / TiO 2 NTA и PANI / TiO 2 НТА. Микроструктура и морфология PANI / CeO 2 / TiO 2 NTA были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Некоторые факторы, которые повлияли на эффективность разложения, включая количество загрузки CeO 2 / PANI, температура отжига, значение pH и поглотители дырок. Предварительное исследование механизма показало, что активные оксирадикалы, такие как HO 2 • и HO •, образовавшиеся за счет синергетического действия PANI, CeO 2 , и TiO 2 , внесли большой вклад в удаление TBBPA.

Материалы и методы

Материалы

Все использованное сырье было аналитической чистоты, за исключением метанола, и все растворы в процессах синтеза и обработки были приготовлены с деионизированной водой. Титановые пленки (чистота 99,6%) были закуплены Северо-Западным институтом исследований цветных металлов, Китай. Анилин был приобретен в JinKe Fine Chemical Institute, Китай. Изопропиловый спирт был получен от Tianjin Guangfu Technology Development Co. Ltd., Китай. NaF, H 3 ЗП 4 , HCl и ацетон были получены от Beijing Chemical Works, Китай. Na 2 SO 4 , CeCl 3 · 7H 2 O и TBBPA были приобретены у Aladdin Chemistry Co. Ltd., Китай. Метанол для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) был приобретен у Oceanpak Alexative Chemical, Швеция. Все химические вещества использовались в том виде, в котором они были получены, без дополнительной очистки.

Подготовка TiO 2 НТА

Ti-фольги полировались различными абразивными бумагами с целью удаления примесей и получения зеркальной поверхности. TiO 2 НТА (20 × 25 × 0,2 мм) были изготовлены методом анодирования. Затем Ti-фольги очищались ацетоном, изопропиловым спиртом и метанолом в ультразвуковой ванне. Очищенные фольги анодировали смесью 0,5 М H 3 ЗП 4 и 0,14 M NaF в качестве электролита в двухэлектродной ячейке с Pt в качестве противоэлектрода при 20 В в течение 30 мин. Полученные фольги промывали дистиллированной водой и сушили в условиях окружающей среды. После прокаливания при 500 ° C в течение 2 ч в муфельной печи были получены НТА. В конце концов НТА были очищены деионизированной водой и высушены на воздухе при комнатной температуре.

Подготовка генерального директора 2 / TiO 2 НТА и ПАНИ / Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА

Соответствующее содержание церия было нанесено на TiO 2 пленки гальваностатическим методом. Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА получали в трехэлектродной системе электрохимическим способом с использованием некальцинированного TiO 2 NTA в качестве рабочего электрода, платиновая фольга в качестве противоэлектрода и насыщенный каломельный электрод (SCE) в качестве электрода сравнения. Гальванический раствор - 0,025 М CeCl 3 . в деионизированной воде [24]. Перед нанесением образцы погружали в раствор для нанесения покрытий на 1 ч. Ток электроосаждения был установлен равным 0,3 мА в течение 15 мин, чтобы можно было контролировать количество Ce, осажденного на NTA. Затем нанесенные пленки промывали деионизованной водой и сушили при комнатной температуре. Свежеприготовленные образцы отжигали в муфельной печи при различной температуре в течение 2 ч для преобразования Ce в CeO 2 . и образуют кристалл анатаза.

ПАНИ / Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА были синтезированы гальваностатическим методом также в трехэлектродной системе. Свежеприготовленный CeO 2 / TiO 2 Электрод НТА помещали в раствор 0,5 М Na 2 . SO 4 и 0,2 М анилина, и постоянный анодный ток 0,3 мА загружали в электрохимическую рабочую станцию ​​CHI660E. Покрытие из полианилина было приклеено к поверхности CeO 2 / TiO 2 Субстрат НТА. Величину загрузки ПАНИ можно контролировать с помощью времени проводимости. После очистки и сушки PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА были достигнуты.

Характеристика

Морфологию образцов характеризовали с помощью растрового электронного микроскопа (СЭМ) SU8000 при ускоряющем напряжении 5 кВ. Химические составы получали с помощью энергодисперсионного рентгеновского детектора (EDAX, Америка), оснащенного растровым электронным микроскопом. Кристаллические фазы исследовали на рентгеновском дифрактометре (XRD, Bruker D8 Advance, Германия).

Фотоэлектрокаталитическая активность CeO 2 / TiO 2 и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА

Фотоэлектрокаталитическая (ФЭК) активность двух готовых NTA была исследована с TBBPA в качестве модельного соединения. Разложение ПЭК 10 мг / л - 1 TBBPA выполняли в обычном кварцевом стакане с использованием трехэлектродной системы с ксеноновой лампой мощностью 500 Вт с оптическим фильтром в качестве имитирующего источника солнечного света. Сила света лампы Xe составляла 120 мВт / см 2 . . Кроме того, 0,05 М Na 2 SO 4 добавляли в качестве поддерживающего электролита в реакционный стакан. Двадцать микролитров реакционного раствора быстро извлекали и анализировали на высокоэффективном жидкостном хроматографе (ВЭЖХ) LC-20AT каждые 15 мин в процессе эксперимента по деградации PEC. ВЭЖХ состояла из насоса LC-20AT, разделительной колонки (Agilent SB-C18, 150 × 4,6 мм, 5 мкм) и детектора VWD (SPD-20A). Подвижная фаза состояла из метанола и воды (85:15, v / v ), а скорость потока была установлена ​​на уровне 1 мл мин - 1 .

Результаты и обсуждение

Характеристика материала

Морфология поверхности приготовленного TiO 2 НТА, Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА были исследованы с помощью SEM и показаны на рис. 1. Без покрытия TiO 2 НТА имеют четкую микроструктуру и состоят из упорядоченного, однородного и высокоплотного TiO 2 нанотрубки с размером пор от 90 до 110 нм и толщиной стенки около 5 нм (рис. 1а). После электроосаждения CeO 2 на TiO 2 НТА, некоторые генеральные директора 2 наночастицы были равномерно сформированы на верхней поверхности TiO 2 НТА (рис. 1б). Можно сделать вывод, что должна быть часть CeO 2 НЧ в трубках. Рисунок 1c показывает, что пористая и ламинарная пленка PANI плотно прилегала к CeO 2 . / TiO 2 субстрат после обработки электроосаждением с размером пор от 50 до 70 нм и толщиной стенки около 40 нм. При оптимальном анодном токе, концентрации анилина и времени осаждения однородный ПАНИ нарастал в верхней части стенок трубки [25]. Полимеризация мономеров анилина происходила вдоль стенки CeO 2 / TiO 2 НТА проникают в поры до тех пор, пока они не покрываются на верхней поверхности НТА. В то же время полимеризация происходила между ближайшими стенками трубки, что приводило к росту планарных листов ПАНИ. Существование элементов Ti, C, N, O и Ce доказало, что PANI и CeO 2 были модифицированы на TiO 2 пленки (рис. 1г). Кроме того, результаты EDS PANI / CeO 2 / TiO 2 NTA показали, что количество N и Ce составляло около 2,11 ат.% И 1,01 ат.%, Соответственно. На рис. 1д показана дифрактограмма TiO2 НТА, CeO 2 . / TiO 2 НТА и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА. Пики на 2 θ 25,5 °, 38 °, 48 ° и 53,3 ° были пиками дифракций (110), (103) и (105) анатазной фазы TiO 2 , соответственно. Пики при 40,5 ° и 56,6 ° относятся к титановой подложке. Маленькие пики 2 θ 28,6 ° и 33,0 ° указывают на кристаллическую фазу CeO 2 . Но существенной разницы между CeO 2 обнаружено не было. / TiO 2 НА и ПАНИ / Генеральный директор 2 / TiO 2 НА, что может быть связано с тем, что было загружено только довольно небольшое количество PANI, что приводит к плохому отклику на рентгенограммах.

СЭМ изображения TiO 2 НТА ( а ), Главный исполнительный директор 2 / TiO 2 НТА ( b ), ПАНИ / Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА ( c ), а также спектры ЭДС PANI / CeO 2 / TiO 2 NTA ( d ) и дифрактограммы TiO 2 НТА (A), Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА (B) и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА (C) ( e )

Сравнение различных катализаторов фотоэлектрокаталитического разложения TBBPA

Чтобы оценить фотоэлектрокаталитическую активность катализаторов, измеряли скорость разложения TBBPA с различными катализаторами, и реакционный раствор составлял 0,05 моль л - 1 Na 2 SO 4 раствор, содержащий 10 мг л - 1 TBBPA, а внешний потенциал составлял 9,0 В. На рисунке 2 показаны скорости разложения TBBPA через 2 часа с чистым TiO 2 НТА, Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА, PANI / TiO 2 НТА и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА. Результаты экспериментов показали, что фотоэлектрокаталитическая эффективность PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА было самым высоким. Эффективность разложения на TiO 2 НТА, Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА, PANI / TiO 2 НТА и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА составили 85,34%, 90,33%, 86,78% и 93,98% соответственно. По сравнению с TiO 2 NTA, эффективность разложения PANI / CeO 2 / TiO 2 NTA заметно выросли почти на 8,64%, что также доказало, что модификация CeO 2 и ПАНИ увеличили фотоэлектрокаталитическую способность TiO 2 НТА. Эти результаты примерно соответствовали опубликованным результатам [26].

Фотоэлектрокаталитическое разложение раствора TBBPA над чистым TiO 2 НТА, Генеральный директор 2 / TiO 2 НТА, PANI / TiO 2 НТА и PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА. Площадь геометрической поверхности TiO 2 размер электрода 2,0 × 2,5 см 2 . Начальная концентрация TBBPA:10 мг л - 1 , объем:50 мл, электролит:0,05 М Na 2 SO 4 , потенциал смещения:9 В

Влияние параметров приготовления на фотоэлектрокаталитическое разложение TBBPA

Была проведена серия экспериментов по синтезу и разложению для изучения факторов, влияющих на фотокаталитическое разложение TBBPA, и получения оптимальных синтетических параметров PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА в трехэлектродной системе, включая CeO 2 количество загрузки, количество загрузки PANI и температура отжига.

На рис. 3а показано влияние различных CeO 2 . величины нагрузки на фотоэлектрокаталитические характеристики TiO 2 пленка в сторону деградации TBBPA. При тех же условиях количество CeO 2 на пленках контролировалось время осаждения. Во время 120-минутного освещения CeO 2 / TiO 2 НТА со временем осаждения 15 мин показали самую высокую фотоэлектрокаталитическую активность, в то время как CeO 2 / TiO 2 со временем осаждения 45 мин проявил наименьшую фотоэлектрокаталитическую активность. После введения CeO 2 , фотоэлектрокаталитические возможности всего свежеприготовленного CeO 2 / TiO 2 NTA были значительно улучшены по сравнению с чистым TiO 2 НТА.

Эффекты а Генеральный директор 2 сумма загрузки, b Сумма загрузки PANI и c температура отжига. Площадь геометрической поверхности TiO 2 размер электрода 2,0 × 2,5 см 2 . Начальная концентрация TBBPA:10 мг л - 1 , объем:50 мл, электролит:0,05 М Na 2 SO 4 , потенциал смещения:9 В

Как сообщается, главный исполнительный директор 2 может улавливать фотогенерированные электроны и Ce 4+ был снижен до Ce 3+ из-за сосуществования Ce 4+ и Ce 3+ в Генеральном директоре 2 / TiO 2 композитный. Тогда Ce 3+ был склонен к обратному окислению до Ce 4+ адсорбированным кислородом в воде. Между тем, хемосорбированный кислород восстанавливается до супероксидных радикалов (O 2 - ). Таким образом, главный исполнительный директор 2 изменил скорость рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар в определенной степени, что привело к повышению эффективности фотоэлектрокаталитического разложения TBBPA [27]. Как видно на рис. 3a, самая высокая скорость разложения TBBPA составила 93,98%, когда время осаждения CeO 2 достиг 15 мин. Однако, когда время осаждения увеличилось до 45 минут, скорость разложения TBBPA составила только 87,96%. Этот факт свидетельствует о том, что чрезмерное количество CeO 2 покрытие, нанесенное на поверхность композита, будет занимать некоторые из активных центров NTA или действовать как новый центр рекомбинации электронно-дырочных пар, препятствуя деградации TBBPA.

PANI был важным проводящим полимером, применяемым в электрооптической области, благодаря его хорошей проводимости, емкости накопления заряда и окислительно-восстановительной способности. Более того, его электрохромные характеристики могут увеличить поглощение видимого света и быстрое разделение электронно-дырочных пар, что может вызвать большее количество фотогенерированных электронов [27, 28]. Итак, декорируем TiO 2 НТА с ПАНИ - положительная попытка улучшить фотоэлектрокаталитические характеристики. Была проведена серия экспериментов по деградации для исследования оптимального количества загрузки ПАНИ в трехэлектродной системе, результаты показаны на рис. 3b. Количество ПАНИ на пленках контролировалось временем электроосаждения в оптимальных условиях иммобилизации. Результаты показали, что скорость разложения TBBPA сначала увеличивалась вместе с увеличением времени электроосаждения, но снижалась через 15 мин. Было обнаружено, что CeO 2 / TiO 2 НТА, покрытые PANI в течение 15 мин, показали самую высокую эффективность фотоэлектрокаталитического разложения по отношению к TBBPA. Криволинейный тренд скорости разложения предполагает, что наличие PANI может улучшить фотоэлектрокаталитические характеристики TiO 2 NTA при моделировании солнечного излучения и избыточное количество PANI, нанесенного на NTA, будут препятствовать поглощению излучения NTA и влиять на хороший контакт TiO 2 с TBBPA . Следовательно, в последующих экспериментах применялось электроосаждение TBBPA в течение 15 минут, что позволило сохранить самый высокий коэффициент использования света.

Температура отжига является одним из важных факторов в синтезе наноматериалов, которые могут легко изменить кристаллическую фазу материалов и значительно изменить фотоэлектрокаталитическую активность. Кроме того, после отжига ионы Ce окисляются до CeO 2 . , что также внесет положительный вклад в каталитическую реакцию. На рисунке 3c показаны фотоэлектрокаталитические характеристики PANI / CeO 2 . / TiO 2 НТА по отношению к TBBPA при разной температуре отжига. Видно, что эффективность деградации TBBPA увеличивается при увеличении температуры отжига с 200 до 500 ° C. Известно, что анатаз TiO 2 проявили более высокую фотокаталитическую активность, чем другие фазы (аморфизм и рутил). Рисунок 3c показывает, что TiO 2 был в основном аморфным при температуре отжига 200 ° C, аморфный TiO 2 может постепенно превращаться в анатаз при температуре отжига 500 ° C, что объясняет повышение эффективности разложения TBBPA. Появилась рутиловая фаза, и эффективность разложения немного снизилась, когда температура отжига достигла 600 ° C, как сообщалось [29].

Оптимизация фотоэлектрокаталитического разложения TBBPA с помощью PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА

Значение pH изменит состояние ионизации органического соединения, свойства поверхности катализатора, а также реакционные матрицы. Считается, что pH раствора может влиять на скорость образования гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода, ответственных за разложение загрязнителя. Влияние начального значения pH на эффективность разложения показано на рис. 4. Было обнаружено, что 92,96% TBBPA подверглось фотоэлецетродеградации через 120 мин при моделировании солнечного облучения при pH 3. Щелочные условия, по-видимому, проявляли гораздо более сильный ингибирующий эффект, чем у кислое состояние. Фотогенерированные электронно-дырочные пары были созданы из PANI / CeO 2 / TiO 2 Лист НТА при моделировании солнечного облучения, которое привело к восстановлению и окислению церия и образованию • O 2 - . • O 2 - мог не только реагировать с H + а затем произвести HO 2 • и • OH, два вида сильных окислительных и реактивных частиц, но также непосредственно реагируют с TBBPA. В то же время сообщается, что ПАНИ имеет более высокую каталитическую активность в кислотном растворе. Как следствие, низкое значение pH благоприятно для образования H2O 2 . • и • OH, в то время как высокое значение pH может привести к ингибированию образования HO 2 • и • OH, снижая эффективность фотоэлектрокаталитического разложения.

Влияние различных значений pH на эффективность разложения TBBPA в фотоэлектрокаталитическом процессе при моделировании дневного излучения. Площадь геометрической поверхности TiO 2 размер электрода 2,0 × 2,5 см 2 . Начальная концентрация TBBPA:10 мг л - 1 , объем:50 мл, электролит:0,05 М Na 2 SO 4 , потенциал смещения:9 В

В процедуре фотоэлектрокаталитической деградации рекомбинация электронов и электронно-дырочных пар существенно влияет на каталитические характеристики TBBPA. Сообщалось, что поглотитель дырок может повысить способность TiO 2 к разложению. каталитические материалы [30, 31]. В общем, полезно добавить поглотитель дырок, чтобы ингибировать рекомбинацию электронов и электронно-дырочных пар и дополнительно достичь высокой фотоэлектрокаталитической активности. По сравнению с PANI / CeO 2 / TiO 2 Были исследованы NTA, четыре различных поглотителя дырок (метанол, этанол, изопропанол и ацетон), результаты представлены на рис. 5а. Присутствие этанола привело к наивысшей эффективности разложения TBBPA (96,32%), однако эффективность разложения TBBPA с использованием других поглотителей дырок (изопропанол и ацетон) немного снизила эффективность по сравнению с холостыми контролями. Кроме того, метанол не влиял на разложение TBBPA. Поскольку константа скорости разложения увеличилась до 0,0283 мин - 1 с PANI / CeO 2 / TiO 2 и этанол, влияние концентрации этанола на фотоэлектрокаталитическое разложение TBBPA было оптимизировано. Результаты представлены на рис. 5б. Эффективность разложения достигла максимального значения, когда концентрация этанола составляла 10 ммоль л - 1 . , в то время как эффективность постепенно снижалась с увеличением концентрации этанола. Это указывает на то, что добавление этанола удаляет часть дырок и снижает скорость рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар, значительно увеличивая фотоэлектрокаталитическую активность PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА.

Эффект от различных поглотителей дыр ( a ) и количество этанола ( b ) от кинетики деградации TBBPA. Площадь геометрической поверхности TiO 2 размер электрода 2,0 × 2,5 см 2 . Начальная концентрация TBBPA:10 мг л - 1 , объем:50 мл, электролит:0,05 М Na 2 SO 4 , потенциал смещения:9 В, pH:3

Кинетика вышеуказанных реакций при моделировании солнечного излучения была изучена, и результаты показаны на рис. 5. Можно видеть, что хорошие линейные зависимости были достигнуты с помощью кинетического уравнения первого порядка, а коэффициенты линейной корреляции этих экспериментов по деградации были в пределах диапазон 0,9959 ~ 0,9982, что ясно доказывает, что реакции разложения TBBPA следовали кинетике первого порядка. Более того, кинетические константы точно отражают влияние количества аннексирующего агента. Следовательно, 10 ммоль л - 1 этанол был добавлен в раствор для усиления разложения TBBPA.

Стабильность фотокатализатора

На рисунке 6 показаны эффективности разложения десяти повторных прогонов разложения TBBPA с использованием PANI / CeO 2 . / TiO 2 НТА с этанолом в оптимальных условиях. Результаты показали, что эффективность разложения десяти экспериментов была очень близкой (<3%), что указывало на то, что приготовленный материал имел хорошую стабильность. Как следствие, PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА можно многократно использовать в фотоэлектрокаталитической деградации до TBBPA и быть эффективными катализаторами с высокой степенью разложения 92%.

Тест на возможность повторного использования EC-PANI / TiO 2 НТА в оптимальных условиях

Механизм фотоэлектрокаталитического разложения TBBPA

На основе данных вышеупомянутых экспериментов главный исполнительный директор 2 наночастицы, нанесенные на поверхность PANI / TiO 2 Было доказано, что NTA значительно увеличивают эффективность разложения TBBPA. Было известно, что фотоэлектрокаталитическое окисление органических загрязнителей в основном связано с генерацией, переносом и потреблением фотогенерированных электронов и дырок внутри TiO 2 каталитические материалы [32, 33]. В экспериментах по фотоэлектрокаталитическому разложению TBBPA, PANI / CeO 2 / TiO 2 НТА облучались моделированным солнечным светом и производили фотогенерированные электроны и дырки, которые приписывались активации TiO 2 и главный исполнительный директор 2 принимая энергию фотона (уравнения (1) и (2)). Часть генерируемых электронов переносилась из обеих зон проводимости (ЗП) TiO 2 и главный исполнительный директор 2 в ПАНИ. ПАНИ с покрытием TiO 2 NTA играют важную роль в расширении диапазона длин волн поглощения, быстром разделении заряда и подавлении рекомбинации электронов и дырок [34]. Другая часть электронов поглотилась в CeO 2 частицы, а затем Ce 4+ ионы CeO 2 были снижены до Ce 3+ , который может реагировать с O 2 и генерировать ион-радикал супероксида (• O 2 - ) (Уравнения (3) и (5)). В то же время электроны могут напрямую восстанавливать O 2 сформировать • O 2 - , который был очень реактивным ион-радикалом и давал много гидроксильных радикалов (HO •) и гидропероксильных радикалов (HO 2 •) (уравнения (4), (8) и (9)). С другой стороны, фотогенерированные отверстия ( h + ) может реагировать с H 2 О и ОН - для генерации HO • и H + , которые могут быть использованы в реакциях (8) и (9). Наконец, HO 2 • и HO •, которые считались основными активными частицами в процедуре деградации PEC, а также h + непосредственно реагирует с TBBPA или продуктами-посредниками, и, таким образом, завершается процесс разложения (уравнение (10)). Следовательно, возможный механизм фотоэлектрокаталитического разложения TBBPA под действием PANI / TiO 2 электрод можно выразить следующим образом:

$$ {\ mathrm {TiO}} _ 2+ hv \ to {\ mathrm {TiO}} _ 2+ \ left ({e} ^ {-} + {h} ^ {+} \ right) $$ (1) $$ { \ mathrm {CeO}} _ 2+ hv \ to {\ mathrm {CeO}} _ 2+ \ left ({e} ^ {-} + {h} ^ {+} \ right) $$ (2) $$ {\ mathrm { Ce}} ^ {4 +} + {e} ^ {-} \ to {\ mathrm {Ce}} ^ {3+} $$ (3) $$ {\ mathrm {O}} _ 2+ {e} ^ { -} \ to \ bullet {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {-} $$ (4) $$ {\ mathrm {Ce}} ^ {3 +} + {\ mathrm {O}} _ 2 \ to \ bullet {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {-} + {\ mathrm {Ce}} ^ {4+} $$ (5) $$ {h} ^ {+} + {\ mathrm {H} } _2 \ mathrm {O} \ to \ mathrm {HO} \ bullet + {\ mathrm {H}} ^ {+} $$ (6) $$ {h} ^ {+} + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ to \ mathrm {HO} \ bullet $$ (7) $$ {\ mathrm {H}} ^ {+} + \ bullet {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {-} \ to {\ mathrm {H} \ mathrm {O}} _ 2 \ bullet $$ (8) $$ 4 {\ mathrm {H}} ^ {+} + \ bullet {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {- } \ to 2 \ mathrm {HO} \ bullet $$ (9) $$ {\ mathrm {HO}} _ 2 \ bullet \ mathrm {или} \ \ mathrm {HO} \ bullet \ mathrm {или} \ {h} ^ {+} + \ mathrm {TBBPA} \ to \ mathrm {деградация} \ \ mathrm {products} $$ (10)

Одним словом, ПАНИ / Генеральный директор 2 / TiO 2 NTAs are a good photoelectrocatalyst, and the possible degradation impacting factors were optimized and degradation mechanism was elucidated as shown in Fig. 7.

Degradation mechanism of TBBPA on PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs under simulated sunlight

Выводы

PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs were simply synthesized by an electrochemical method. PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs exhibited extraordinary photoelectrocatalytic activity for the degradation of TBBPA with the assistance of ethanol. Under the optimum conditions, the degradation rate of TBBPA was higher than 92% in 120 min. The synergetic effect of PANI, CeO2 , and TiO2 played a crucial role to increase the active free radicals, reduce the recombination rate of photogenerated electron-hole pairs, and enhance the catalytic performance. The degradation reaction followed the first-order kinetics. PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs earned good reusability and stability. These results indicated that PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs would be a promising catalyst for effective removal of TBBPA and some other organic pollutants.

Сокращения

BFRs:

Brominated flame retardants

CB:

Полоса проводимости

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

HO2 •:

Hydroperoxy radical

ВЭЖХ:

Высокоэффективная жидкостная хроматография

PANI/CeO2 / TiO 2 NTAs:

Polyaniline and CeO2 co-decorated TiO2 nanotube arrays

PEC:

Photoelectrocatalytic

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TBBPA:

Tetrabromobisphenol A


Наноматериалы

  • Металл
  • Смола
  • волокно
  • Композитный материал
  • Наноматериалы
  • Полимерные материалы
  • Биопрепараты
  • Краситель
  • Специи
    1. Наножидкости TiO2 - Часть 1:Приготовление и свойства
    2. Одноэтапный способ электропрядения нановолокон рутилового TiO2, модифицированного SrTiO3, и его фотокаталитичес…
    3. Получение и повышенная активность каталитического гидрирования наночастиц Sb / палигорскита (PAL)
    4. На пути к наножидкости TiO2 - Часть 2:Приложения и проблемы
    5. Иерархическая гетероструктура полых сфер ZnO @ TiO2 для высокоэффективного фотокаталитического выделения водор…
    6. Проектирование чистых и композитных углеродных нанотрубок с помощью порозиметрических характеристик
    7. Массивы нанотрубок TiO2:изготовлены с помощью мягко-твердого шаблона и зависимости характеристик эмиссии поля…
    8. Получение полимерных наносфер палладия (II) с ионным отпечатком и удаление палладия (II) из водного раствора
    9. Изготовление, характеристика и биологическая активность систем нано-доставки авермектина с различными разм…
    10. Графен / полианилиновый аэрогель со сверхэластичностью и высокой емкостью в качестве высокостойкого к сжати…