Применение химически расслоенных нанолистов нитрида бора, допированных кобальтом, для быстрого удаления органических загрязнителей из текстильной воды

Введение

В последнее время нитрид бора (BN), многообещающий двумерный слоистый материал, подобный графену, дисульфид вольфрама (WS ₂ ) и дисульфид молибдена (MoS ₂ ), привлекла значительное внимание. Нитрид бора обычно существует в своей наиболее стабильной кристаллографической форме, то есть в гексагональном нитриде бора (h-BN). Кроме того, он встречается в виде кубического нитрида бора (c-BN), структурно аналогичного алмазу, ромбоэдрического нитрида бора (r-BN) и аморфной фазы [1]. Расстояние между слоями h-BN составляет 3,30 ~ 3,34 Å, в то время как в графите расстояние составляет 3,33 ~ 3,35 Å. Кроме того, h-BN - хороший изолятор с шириной запрещенной зоны ~ 5,9 эВ [2, 3]. Кристаллическая структура h-BN напоминает структуру графена, поэтому его иногда называют «белым графеном» и «двойным материалом» графена. Интересно, что атомы бора и азота ковалентно связаны и расположены в виде сот [2, 4]. Кроме того, h-BN обладает превосходными физическими, химическими, термическими, электрическими, оптическими и диэлектрическими свойствами, что делает его привлекательным для использования в различных приложениях [5,6,7]. Были проведены исследования по изменению характеристик изоляции BN за счет настройки ширины запрещенной зоны и структурных свойств [3, 8]. Нанолисты нитрида бора (BN-NS) были первоначально изготовлены в 2004 году путем расслаивания объемного материала из-за его недоступности в природе. На сегодняшний день для производства нанолистов были приняты различные методы, включая химическое расслоение [9], измельчение в шаровой мельнице [10], облучение электронным пучком [11] и технику химического пара [12]. Различные другие способы отшелушивания также описаны в литературе [13,14,15].

Возможные применения BN-NS включают использование в оптоэлектронных устройствах и устройствах управления температурой. Он особенно подходит для использования в качестве фотокатализатора и катализатора при очистке сточных вод [3, 16, 17]. Вода играет жизненно важную роль в выживании и развитии всех живых существ на Земле, включая человечество. Достаточное снабжение водой хорошего качества в любое время года оказывает большое влияние на окружающую среду и экономический рост региона [18, 19]. Более того, пищевая промышленность во всем мире сильно зависит от постоянного снабжения чистой водой [20]. Доступность чистой и пресной воды зависит от многих факторов, в том числе от высоких темпов роста населения. По оценкам, около 2,7 миллиарда человек во многих странах сталкиваются с нехваткой чистой воды [18, 21].

Согласно литературным данным, большое количество красителей, включая конго красный, мартиевый желтый, метиловый оранжевый, метиловый красный и метиловый синий, используется в различных отраслях промышленности, таких как кожа, строительство, бумага, производство металлов и полиграфия [22,23 , 24]. Вредные ионы металлов (Pb, Cr, Hg, Cu и т. Д.), Образующиеся в результате использования этих красителей, оказывают пагубное воздействие на человека и водную жизнь. Воздействие необработанных красителей и токсичных ионов металлов может привести к серьезным заболеваниям, таким как анемия, рак, энцефалопатия и ослаблению иммунной системы [20, 25]. Кроме того, излишки естественного органического вещества могут повысить уровень токсичности и отрицательно повлиять на системы очистки воды [26].

Соль и другие второстепенные примеси можно удалить из воды широко доступными методами; однако удалить вредные красители и ионы токсичных металлов сложнее. Для очистки воды от этих загрязнителей использовались различные способы, включая фотокатализ [16], магнитную помощь [27], удаление масла [28], а также фильтрацию и коагуляцию [29]. Среди этих методов катализ занимает важное место, поскольку он считается экологически чистым, экономичным и энергоэффективным. Кроме того, большая площадь поверхности и превосходные химические и физические свойства BN-NS делают его пригодным для использования в качестве катализатора при очистке сточных вод [17].

В настоящем исследовании магнитные свойства синтезированных образцов также исследуются в связи с их потенциальным влиянием на процесс очистки сточных вод. Обычно переходные металлы, содержащие электроны в 3d- или 4f-оболочках, ответственны за происхождение магнетизма. Литература указывает, что спонтанное намагничивание также наблюдается в безметалловых легких элементах, которые содержат электроны за с и p орбитальный [30, 31]. Кроме того, активно обсуждается происхождение ферромагнетизма в разбавленных магнитных полупроводниках или оксидах (DMS (O) s) [32, 33]. Теоретический анализ показывает, что периодические дефекты в наноматериалах на основе графена (2D), особенно h-BN, вызывают магнитное упорядочение (ферромагнетизм, ферримагнетизм и антиферромагнетизм) [34]. Более того, эти дефекты в h-BN действуют благоприятно, изменяя его диамагнитное поведение в сторону ферромагнетизма [35]. Переходные металлы (например, Ni, Fe, Cu, Zn и Co) обладают удовлетворительными магнитными свойствами; поэтому допирование этих частиц в нанолистах BN предвещает многообещающие результаты. Соответственно, легирование переходным металлом (Co) в h-BN приводит к появлению внешних дефектов, которые вместе с собственными дефектами служат для улучшения его магнитных свойств [36].

В настоящем исследовании простой гидротермальный метод был использован для получения нанолистов BN, легированных кобальтом, с повышенной каталитической активностью и магнитными свойствами. Влияние легирования исследовали путем оценки структурных, морфологических, оптических и магнитных свойств BN-NS.

Методы

Настоящее исследование было направлено на синтез различных концентраций Co в нанолисты h-BN с помощью гидротермального пути для удаления органических загрязнителей из текстильной воды и магнитных свойств.

Материалы

Насыпной порошок BN (98%), диметилформамид (DMF), метиленовый синий (MB) и боргидрид натрия (NaBH ₄ ) были приобретены у Sigma-Aldrich Co. (Германия). Гексагидрат нитрата кобальта (II) (CoH ₁₂ N ₂ О ₁₂ ) (98%) была приобретена у VWR Chemicals (Великобритания). Все химические вещества, приобретенные для этого исследования, были использованы без дополнительной очистки.

Отшелушивание и синтез совместно допированного BN

Для синтеза BN-NS использовали путь химического отшелушивания. Сначала 5 г нерасфасованного порошка BN растворяли в 200 мл ДМФ и перемешивали в течение 20 минут, чтобы получить исходный раствор. После этого была проведена интенсивная обработка ультразвуком в течение 12 часов. После обработки ультразвуком из основного раствора были собраны всплывающие листы BN. Допирование было предпринято с помощью гидротермального подхода. В этом методе в качестве допанта Co использовался гексагидрат нитрата кобальта (II). На собранные нанолисты BN легировали различные весовые соотношения гексагидрата нитрата кобальта (II) (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%). Затем выбранный BN-NS и гексагидрат нитрата кобальта (II) с различными соотношениями (1:0,25, 1:0,05, 1:0,075, 1:0,1) диспергировали в 100 мл деионизированной воды при непрерывном перемешивании в течение 15 мин. Суспензию выливали в автоклав из нержавеющей стали, помещали в вакуумную печь при 200 ° C на 10 ч, как схематично показано на рис. 1. Наконец, автоклав вынимали из печи и охлаждали до комнатной температуры. Прекурсор сушили на горячей плите при температуре 100–120 ° C.

Схематическое изображение эксфолиации и синтеза BN-NS, легированного кобальтом

Каталитическая активность

Каталитическую активность чистого и легированного кобальтом BN-NS измеряли для определения степени разложения красителя. Это было предпринято путем мониторинга разложения МБ в водном растворе NaBH ₄ который служит восстановителем. И MB, и NaBH ₄ были свежеприготовленными, чтобы гарантировать целостность экспериментальных данных. Обычно МБ является наиболее часто используемым индикатором окислительно-восстановительного потенциала в аналитической химии для регулирования каталитической активности во время испытания на разложение красителя. Кроме того, МБ остается синим в окисленной форме, тогда как при восстановлении он кажется нейтральным [37]. Было проведено два каталитических эксперимента, первый с 500 мкл NaBH ₄ и 2 мг катализатора и второй с 1000 мкл NaBH ₄ и 4 мг катализатора. В общем, концентрация катализатора, используемого в эксперименте, является наиболее важным фактором, влияющим на химическую реакцию. Катализатор снижает энергию активации ( E _а ) реакции, тем самым повышая ее стабильность и скорость реакции. МБ - это прежде всего токсичный краситель, опасный для окружающей среды. Его можно уменьшить на NaBH ₄ что превращает его в нетоксичный и бесцветный вид. Однако процесс восстановления идет относительно медленно в присутствии NaBH ₄ . . Нелегированный и легированный кобальтом BN-NS демонстрирует большую площадь поверхности, которая в сочетании с увеличением реакционной способности способствует ускорению эффективности восстановления красителя. Введение катализатора в МБ в присутствии восстановителя вызывает адсорбцию. Кроме того, слой восстановителя, диспергированный на катализаторах, также может ускорять адсорбцию из-за реакции окисления-восстановления между катализатором и МБ. Реакция восстановления катализатором происходит путем переноса e ^- из донорского контента ЧД ₄ ^- (например, из NaBH ₄ ) к акцепторному содержанию МБ способствует чистый и легированный БН-НС. Это приводит к уменьшению E _а который служит для стабилизации реакции. Каталитическую активность оценивали, принимая 500 или 1000 мкл NaBH ₄ разводят в 10 мл раствора МБ в кварцевой кювете. После этого добавляли катализатор (2 или 4 мг) для исследования разложения МБ. Разложение красителя оценивали спектрофотометрически, как схематически показано на фиг. 2. Кроме того, спектры поглощения в диапазоне от 200 до 800 нм, полученные с MB, использовали в качестве эталона при комнатной температуре. Разложение красителя в присутствии чистого и легированного катализатора подтвердило повышенную каталитическую активность, тогда как NaBH ₄ не удалось снизить МБ.

Схематическое изображение экспериментальной установки, используемой для оценки каталитической активности

Характеристики материалов

Подготовленные образцы анализировали с использованием различных методов. Фазовый состав и степень кристалличности оценивали с помощью аналитического рентгеновского дифрактометра (XRD) PAN X-pert PRO с Cu-Kα-излучением ( λ =1,5418 Å) и 2θ в диапазоне от 5 ° до 80 °. Инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) выполняли с использованием спектрометра Perkin Elmer для подтверждения присутствия функциональных групп. Спектры излучения получали с помощью спектроскопа фотолюминесценции (ФЛ) с использованием спектрофлуориметра JASCO FP-8200. Рамановские спектры получали с помощью рамановского микроскопа DXR (Thermo Scientific), имеющего диодный лазер на 532 нм. Морфологическое исследование проводили с использованием автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа JSM-6460LV (FE-SEM) и просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения Philips CM30 и JEOL JEM 2100F (HR-TEM). Оптические свойства регистрировали с помощью УФ-видимого спектрофотометра Genesys 10S. Для отслеживания элементного состава использовалась энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS). Магнитные свойства были измерены с помощью магнитометра с вибрирующим образцом (VSM).

Результаты и обсуждение

XRD использовали для анализа фазовой и кристаллической структуры приготовленных образцов, как показано на рис. 3a. Пики дифракции наблюдались при 26,8 °, 41,6 °, 43,52 ° и 50,2 °, которые были обозначены как плоскости (002), (100), (101) и (102) соответственно. Наблюдаемые рефлексы подтверждают наличие гексагональной фазы BN и хорошо согласуются с JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Стоит отметить, что характерная интенсивность пика от чистого к легированному образцу увеличивается, что свидетельствует о том, что кристалличность была увеличена с введением Со. Кроме того, рентгенограммы показывают сдвиг пика в сторону более высокого угла дифракции, что объясняется присутствием легирующей примеси. в экземплярах [40]. Расстояние между слоями d ₀₀₂ рассчитанный с помощью закона Брэгга (nλ =2dsinθ) составил ~ 0,34 нм, что согласуется с результатами HR-TEM [41].

а Рентгенограммы исходного и различных концентраций (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) BN-NS, легированного кобальтом. б ИК-Фурье спектры

FTIR был выполнен для идентификации инфракрасных отпечатков пальцев на контрольных и легированных нанолистах, как показано на рис. 3d. Спектры наблюдались при ~ 808, 1020, 1160, 1370, 1672 и 3187 см ^-1 . . Были идентифицированы два основных пика при 808 и 1370 см ^-1 . которые считаются связанными с B – N – B (изгибные колебания) и B – N (растягивающие колебания). Последний пик связан с изгибными колебаниями A _2u мода (вне плоскости), тогда как предыдущий пик хорошо совпадает с колебанием растяжения E _1u режим (в плоскости) [42, 43]. Кроме того, пики на 1020, 1160 и 1672 см ⁻¹ согласуются со связью C – O, B – N – O и C =O соответственно [44]. Другой пик с центром на 3187 см ⁻¹ соответствует связи B – OH [45, 46].

Идентификация структурных отпечатков пальцев проводилась по спектрам комбинационного рассеяния, как показано на рис. 4а. Спектры показывают характеристическую полосу комбинационного рассеяния с центром при 1370 см ^-1 . который приписывается E _2g активная фононная мода h-BN и коррелирует с пиком G графена [47]. У расслоенного BN-NS наблюдаются незначительные пики при 550 и 880 см ^-1 . что связывают с флуоресцентным фоном [48]. Более того, в литературе сообщается, что высококачественный монокристалл h-BN демонстрирует E _2g активная фононная мода на 1367 см ⁻¹ [40]. В этом исследовании E _2g с красным смещением активная фононная мода возникает в результате слабого взаимодействия между прослойками BN. Кроме того, спектры комбинационного рассеяния света со смещением в красную область показывают присутствие нескольких слоистых нанолистов, что вызывает небольшое удлинение в связях бора и азота (B – N) [49, 50]. Следовательно, это удлинение связи B – N обусловлено смягчением фононов и хорошо согласуется с ранее цитированными результатами. Кроме того, элементарное легирование, упорядочение уложенных слоев, размер домена и пористость могут привести к расширению и смещению пиков [51].

а Рамановские спектры контрольного и легированного БН-НС. б Спектры ФЛ

Спектроскопия ФЛ была проведена, чтобы понять миграцию экситонов и рекомбинацию электронно-дырочных пар, как показано на рис. 4b. Спектры наблюдались при длине волны возбуждения и излучения λ _бывший =220 нм и λ _em =310 нм соответственно. Наблюдаемая характерная полоса при ~ 322–342 нм соответствует электронно-дырочному переходу за счет примесного уровня [52, 53]. Примечательно, что экситонная полоса увеличивается, но не показывает сдвига длины волны при легировании. Характерные пики при ~ 446 нм и ~ 471 нм указывают на резкое увеличение интенсивности ФЛ от чистых образцов к легированным. Между тем, BN-NS, легированный 10 мас.% Co, имеет максимальную интенсивность ФЛ среди всех образцов, что указывает на максимальную рекомбинацию электронов и дырок. Интенсивность постепенно уменьшается из-за концентрации легирования, указывающей на разделение фотогенерируемых зарядов [54]. Спектры излучения показали поведение ФЛ в зависимости от возбуждения, что согласуется с ранее опубликованными результатами [55].

УФ-видимая спектроскопия была использована для исследования спектров поглощения и ширины запрещенной зоны готовых продуктов, как показано на рис. 5а. Характерный пик поглощения основного BN-NS находился на пороге ~ 205 нм в области глубокого ультрафиолета (DUV), что соответствует ширине запрещенной зоны ~ 5,7 эВ, как показано на фиг. 5b. Стоит отметить, что объемный BN вызывает ширину запрещенной зоны 5,2–5,4 эВ, в то время как монослой имеет ширину запрещенной зоны ~ 6,07 эВ, что хорошо совпадает с теоретическими расчетами (например, 6,0 эВ). В случае би / мультислоев ширина запрещенной зоны составляет от 5,56 до 5,92 эВ [43]. Соответствуя широкой запрещенной зоне на рис. 5b и поведению люминесценции DUV на рис. 5a, нанолисты h-BN могут рассматриваться как новый кандидат для множества применений в фотонной эмиссии, УФ-генерации и детекторах DUV [56]. . Кроме того, край поглощения смещался в сторону более длинных волн с увеличением концентрации легирования (от 2,5 до 10 мас.%), Демонстрируя красное смещение (рис. 5b) [57].

а УФ-видимые спектры чистого и легированного кобальтом BN-NS. б Тауц-график для запрещенной зоны

Морфологию и состав контрольного и допированного BN-NS анализировали с помощью FE-SEM, как показано на фиг. 6a. Микрофотографии показывают, что полученные частицы обладали агрегированной структурой нанолиста с гладкой поверхностью и изогнутыми краями. На рис. 6, б – г показаны нанолисты BN, покрытые кобальтом. Во всех образцах наблюдалась агломерация. Микрофотографии FE-SEM показывают, что нанолисты сложены с компактной слоистой структурой и обладают неоднородной формой и поперечным размером. Конфигурация и размеры нанолистов являются следствием расслоения насыпного порошка BN. Морфологию полученного продукта дополнительно подтверждали анализом HR-TEM. На микрофотографиях HR-TEM, показанных на рис. 6a-d, наблюдалась пластинчатая морфология готовых продуктов. Более того, наблюдались компактные шероховатые поверхности нанолистов со слегка пористыми элементами, что приводит к повышенной каталитической активности. Наблюдались темные сферические пятна, свидетельствующие об успешном введении легирования. Были зарегистрированы мелкие наложения и скрученные края нанолистов, как показано анализом SEM на рис. 6a – d. Экспериментальные результаты показывают, что анализ FE-SEM и HR-TEM указывает на успешное отслаивание нанолистов BN от объемного BN.

а , a ’ FE-SEM и HR-TEM изображения чистого BN-NS. б - г ФЭ-СЭМ легированного БН-НС (2,5; 7,5 и 10 мас.%). b ’ - г ВР-ПЭМ легированного (2,5, 7,5 и 10 мас.%) BN-NS (вставка 50 нм)

Измерения межслоевого расстояния в образцах без покрытия и с добавками проводились с помощью IFFT (см. Вставку), индуцированного посредством изображений FFT HR-TEM, исследованных с помощью программного обеспечения цифровой микрофотографии Gatan для различения полос решетки. Соблюдается d -величина интервала для чистого и легированного 2,5 мас.% BN-NS составляет 0,34 нм и 0,21 нм, что соответствует d ₀₀₂ и d ₁₀₀ плоскости соответственно, как показано на рис. 7a, c. Эти данные хорошо согласуются с рентгеноструктурным анализом и стандартными данными [58]. Кроме того, профили SAED показаны на рис. 7b, d, которые обозначают дифракционные кольца ярких пятен. Эти дифракционные кольца были проиндексированы как происходящие из плоскостей (002), (100), (101) и (102), что хорошо согласуется с результатами XRD. Паттерны SAED предполагают, что все кольца принадлежат гексагональному BN, и подтверждают высококристаллическую природу нанолистов [58].

а , c г -размещение хозяина и 2,5 мас.% легированного БН-НС. б , d SAED образцы контроля и 2,5 мас.% Легированного БН-НС

Элементный состав поверхности легированного BN-NS был исследован с помощью EDS-анализа, как показано на рис. 8a – d соответственно. На полученных микрофотографиях видны сильные пики бора (B) и азота (N), тогда как незначительный сигнал для кобальта (Co) также наблюдался в спектре EDS (рис. 8a). В образцах, легированных кобальтом, наблюдались два умеренных пика Со при 0,5 и 7 кэВ, что подтверждает успешное включение легирующей примеси. Кроме того, углеродный сигнал ниже 1 кэВ исходит от угольных вкладок, используемых для удержания образца во время анализа, и / или из-за высоких фоновых счетчиков в детекторе SEM-EDS. В противном случае в образце не было углерода [59].

а - г EDS-анализ различных концентраций (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) BN-NS, легированного кобальтом

Магнитные свойства BN-NS, легированного кобальтом, оценивали по кривой M – H с использованием измерений VSM. На графике, показанном на рис. 9, сигмоидальный вид петель M – H демонстрирует, что BN-NS, легированный кобальтом, характеризуется магнитным моментом. Литературные исследования показывают, что чистый BN демонстрирует диамагнитное поведение с восприимчивостью (χ ≈ - 8,6 × 10 ⁻⁷ emu / g) [31, 35]. Напротив, BN-NS, легированный кобальтом, проявляет ферромагнетизм при комнатной температуре (RT-FM) в результате обменного взаимодействия между Co ⁺² ионы и неспаренные диполи, которые стремятся выровняться вдоль приложенного магнитного поля. Видно, что петля гистерезиса становится более точной, а концентрация легирующего вещества увеличивается, что подтверждает чистоту и успешное введение легирующей примеси. Коэрцитивная сила, остаточная сила и намагниченность насыщения BN-NS, легированного кобальтом, позволяют прогнозировать мягкость и твердость магнитного материала. Совместное легирование BN-NS приводит к образованию магнитомягкого материала. Значения остаточной намагниченности ( M _r ), намагниченность насыщения ( M _s ) и коэрцитивности ( H _C ) для различных концентраций легирования (2,5, 5 и 7,5 мас.%) рассчитывались по кривой M – H, как показано в таблице 1.

Кривая M – H для различных концентраций (2,5, 5 и 7,5 мас.%) BN-NS, легированного кобальтом

Каталитическая активность чистого и легированного кобальтом BN-NS, который работает как катализатор, была выражена разложением МБ и исследована с помощью спектров поглощения, контролируемых УФ-видимым спектрофотометром. На рис. 10 a – h показаны результаты каталитической активности с использованием 500 мкл NaBH ₄ . и 2 мг катализатора. Из рис. 10а видно, что NaBH ₄ не может успешно разложить МБ, так как он разлагает только 8% красителя за 40 мин. Включение чистого BN-NS в МБ в присутствии NaBH ₄ привело к 45% деградации за 30 мин (рис. 10b). Более того, способность к деградации BN-NS, легированного кобальтом (см. Рис. 10b-e), была значительно выше. Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) Легированного катализатора демонстрируют разложение на 58, 77, 90 и 97% за 13, 8, 3 и 2 мин соответственно. Интересно, что 10 мас.% Легированных нанолистов дают превосходную каталитическую активность и разлагают 97% красителя всего за 2 мин, что выше, чем (7,5, 5 и 2,5 мас.%) Концентрации легированного вещества, и характерная интенсивность пика наблюдается при ~ 290 и 665 нм. Это увеличение разложения красителя, возможно, связано с увеличением доступной адсорбции, а также каталитических центров на катализаторах. В этом механизме 3d-состояние Co хорошо взаимодействует с 2p-состоянием соответствующих доступных сайтов B или N в BN-NS. Это сильное взаимодействие между состояниями 3d Co и 2p B или N приводит к усилению каталитической активности и приводит к быстрой деградации красителя, что благоприятно подтверждает наши результаты [60].

а Зависящие от времени УФ-видимые спектры NaBH ₄ . б первозданный БН-НС. c - е Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) BN-NS, легированного кобальтом. г Графики C _т / C _о против времени. ч Сравнение процента разложения при различных концентрациях BN-NS

Каталитический эксперимент был повторен с использованием 1000 мкл NaBH ₄ . и 4 мг катализатора. При увеличении концентрации катализатора реакция протекает быстрее по сравнению с ранее упомянутым экспериментом. Это наблюдение хорошо согласуется с литературными данными. В настоящем эксперименте NaBH ₄ все еще не удалось разложить МБ, в то время как исходный BN-NS и различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) легированного катализатора разложили 51, 65, 82, 95 и 99% в 27, 10, 6, 2 и 1 мин, соответственно, по оценке спектрофотометра. Результаты экспериментов по измерению каталитической активности показаны на рис. 11а, б.

а Графики C _т / C _о против времени с использованием NaBH ₄ =1000 мкл и катализаторы =4 мг. б Сравнение процента разложения при различных концентрациях. c Графики C _т / C _о от времени для повторного использования 10 мас.% BN-NS, легированного кобальтом. г Графики C _т / C _о от времени для повторного использования 10 мас.% BN-NS, легированного кобальтом

Согласно закону Бера-Ламберта, коэффициент концентрации МБ в определенное время ( C _т ) и начальной концентрации МБ ( C _о ), обозначаемый как C _т / C _о , можно оценить по коэффициенту параллельной абсорбции ( A _т / А _о ). На рисунках 10f и 11а показана зависимость C от времени. _т / C _о используется для всех катализаторов, в то время как рис. 10g и 11b показывают процентное разложение всех катализаторов. Процент деградации был оценен по формуле. 1.

Кроме того, значение pH является жизненно важным операционным параметром при обработке разложения красителя. Кроме того, pH играет важную роль в очистке текстильных сточных вод и в механизмах реакции, которые способствуют разложению красителя. Стоит отметить, что процент разложения в значительной степени зависит от значения pH. В настоящем эксперименте значение pH было установлено на уровне 8,5. Примечательно, что разложение красителя из-за каталитической активности продемонстрировало лучшие результаты в щелочной среде, что благоприятно подтверждает наши экспериментальные результаты. Несколько отчетов показывают, что самая высокая степень разложения красителя за счет каталитической активности наблюдалась в щелочной среде [61].

Стабильность и возможность повторного использования (способность к повторному использованию) катализаторов является важной характеристикой для оценки катализатора, используемого для разложения красителя. В настоящем исследовании стабильность катализаторов оценивали, оставляя проведенный эксперимент на 48 часов. Через 48 часов результаты были такими же, как и первоначально, т.е. деградация все еще оставалась в прежнем состоянии. Возможность повторного использования катализатора была исследована путем рециркуляции 10 мас.% Катализатора, легированного кобальтом, который служил лучшим катализатором в настоящем исследовании в течение трех циклов. Извлеченные спектры рециклированной каталитической активности оценивали, как показано на рис. 11c, d.

Кроме того, была исследована загрузка катализатора до и после трехкратного рециркуляции. В первом и втором активностях была обнаружена незначительная потеря веса катализатора в диапазоне от 2 мг и 4 мг (до) до 1,7 мг и 3,6 мг (после трех циклов) с учетом отклонения чувствительности ~ 5% в настоящем эксперименте. Эти данные показывают, что BN-NS, легированный кобальтом, демонстрирует выдающуюся стабильность, работая в качестве катализатора. Наконец, это исследование показывает, что BN-NS, легированный кобальтом, демонстрирует эффективные и выдающиеся каталитические свойства в отношении разложения красителя при очистке промышленных сточных вод.

Заключение

В данном исследовании нанолисты нитрида бора (BN-NS) были синтезированы путем химического расслоения массивного порошка BN. Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 мас.%) Co были успешно введены с помощью гидротермального подхода. В готовом виде чистый и легированный BN-NS характеризовали различными методами для оценки эффекта легирования. XRD patterns confirm the presence of the hexagonal phase of BN with improved crystallinity from pure to doped samples. Furthermore, the peak shift indicates the successful incorporation of doping. FTIR spectra indicate sp ² bonded B–N stretching vibrations consistent with E_1g mode (in-plane) as well as B–N–B bending vibration associated with A_2u mode (out plane). Raman spectroscopy affirmed E_2g active phonon mode of h-BN while photoluminescence spectroscopy revealed emission spectra that were attributed to exciton migration and recombination. Host and Co-doped BN-NS displayed absorbance in the DUV region along with a redshift that causes a decrease in bandgap energy suggesting it to be a suitable material for degradation of dye from industrial wastewater and organic pollutants. Sheet-like morphology of obtained product was studied by means of FE-SEM and HR-TEM. Slightly porous features result in high catalytic activity due to available adsorption sites. EDS analysis showed the purity of the sample and confirmed the incorporation of dopant in nanosheets. The magnetic behavior of Co-doped BN-NS was investigated through VSM measurements that display strong ferromagnetic behavior while pristine BN-NS show diamagnetic behavior. Significantly, the sigmoidal appearance of the hysteresis loop becomes more precise from lower to a higher concentration of Co-doped BN-NS, which point toward the formation of a soft magnetic material. Lastly, pure and Co-doped BN-NS was utilized as a catalyst in dye degradation. The catalytic activity provides efficient results for most samples but 10 wt% Co-doped catalyst showed significant outcome with the highest dye degradation (99%) in 1 min, making it a novel catalyst in this study. Extracted results from pure and doped BN-NS can be used as a guideline to modify and enhance magnetic properties in order to improve reliability in modern optoelectronic technology. Finally, the synthesized material has the potential to be used as a stable, reusable, and superior nano-catalyst to replace conventional wastewater treatment methods.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

BN-NS:

Boron nitride nanosheets

Co:

Cobalt

UV-vis:

Ultra-violet visible spectroscopy

XRD:

Рентгеновская дифракция

DUV:

Deep ultraviolet region

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

PL:

Фотолюминесценция

DMF:

Диметилформамид

МБ:

Метиленовый синий

NaBH ₄ :

Боргидрид натрия

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FE-SEM:

Автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия

HR-TEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

JCPDS:

Joint committee on powder diffraction standards,

VSM:

Vibrating sample magnetometer measurements