Co-легированные нанослои нитрида бора: Быстрое, экологичное удаление текстильных водных загрязнителей

Аннотация

Двумерные слоистые материалы, легированные переходными металлами, демонстрируют усиленную намагниченность и улучшенную каталитическую стабильность при очистке воды, что ведет к потенциальным экологическим приложениям в нескольких промышленных секторах. В настоящем исследовании кобальт (Co)-легированные нанослои нитрида бора (BN-NS) были изучены для такого применения. Химический эксфолиационный процесс использовался для эксфолиации BN-NS, а гидротермический путь был принят для включения Co легирующего элемента в различных концентрациях (например, 2,5, 5, 7,5 и 10 wt%). Рентгеновское дифракционное (XRD) исследование указало на улучшение кристалличности при легировании с образованием гексагональной фазы синтезированного материала. Выбранная область электронной дифракции (SAED) подтвердила улучшенную кристалличность, что подтверждает результаты XRD. Межслойный интервал оценен с помощью высокого разрешения передаточной электронной микроскопии (HR-TEM), оснащенной программным обеспечением Gatan digital micrograph. Составной и функциональный групп анализ проведен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и преобразования Фурье инфракрасной (FTIR) спектроскопии соответственно. Полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп (FE-SEM) и HR-TEM использованы для зондирования поверхностных морфологий приготовленных образцов. Режимы связи в образце идентифицированы через Рамановский анализ. Оптические свойства изучены с помощью УФ-видимой спектроскопии. Фотолюминесценционные спектры получены для оценки разделения и рекомбинации экситонов. Магнитные свойства изучены посредством гистерезисной петли, полученной с помощью VSM измерений. Метилен-синий краситель деградировал с использованием приготовленных хозяина и легированных нанослоев в качестве катализаторов и исследован через абсорбционные спектры в диапазоне 250–800 нм. Экспериментальные результаты этого исследования указывают на то, что Co-легированные BN-NS демонстрируют усиленные магнитные свойства и могут использоваться для деградации красителей, присутствующих как выбросы в промышленных сточных водах.

Введение

Недавно нитрид бора (BN), перспективный двумерный слоистый материал, похожий на графен, дисульфид вольфрама (WS₂) и дисульфид молибдена (MoS₂), привлек значительное внимание. Нитрид бора обычно существует в своей наиболее стабильной кристаллографической форме, то есть гексагональный нитрид бора (h-BN). Кроме того, он встречается как кубический нитрид бора (c-BN), структурно аналогичный алмазу, ромбоэдрический нитрид бора (r-BN) и аморфная фаза [1]. Межслойный интервал между слоями h-BN составляет 3,30–3,34 Å, в то время как графит демонстрирует интервал 3,33–3,35 Å. Кроме того, h-BN — хороший изолятор, обладающий запрещенной зоной ~ 5,9 эВ [2, 3]. Кристаллическая структура h-BN напоминает структуру графена, поэтому его иногда называют «белым графеном» и обозначают как «близнецовый материал» графена. Интересно, что атомы бора и азота ковалентно связаны и расположены в сотовидном узоре [2, 4]. Более того, h-BN предлагает отличные физические, химические, термические, электрические, оптические и диэлектрические свойства, что делает его привлекательным для использования в различных приложениях [5,6,7].

Исследования проводились для изменения изоляционных характеристик BN через настройку запрещенной зоны и структурных свойств [3, 8]. Нанослои нитрида бора (BN-NS) были впервые приготовлены в 2004 году эксфолиацией объемного материала из-за его недоступности в природе. На сегодняшний день принято различные методы производства нанослоев, включая химическую эксфолиацию [9], шаровое фрезерование [10], электронно-лучевое облучение [11] и химический паровой метод [12]. Различные другие маршруты эксфолиации также описаны в литературе [13,14,15].

Потенциальные применения BN-NS включают использование в оптоэлектронных устройствах и термических управления устройств. Он особенно подходит для использования в качестве фотокатализатора и катализатора в очистке сточных вод [3, 16, 17]. Вода играет жизненно важную роль в выживании и развитии всех живых видов на Земле, включая человечество. Адекватное обеспечение качественной водой в все сезоны оказывает серьезное влияние на окружающую среду и экономический рост региона [18, 19]. Более того, пищевая промышленность во всем мире сильно зависит от постоянного обеспечения чистой водой [20]. Доступность чистой и пресной воды влияется множеством факторов, включая высокий темп роста населения. Оценивается, что примерно 2,7 миллиарда людей во множестве стран сталкиваются с дефицитом чистой воды [18, 21].

Согласно литературе, большое количество красителей, включая конго-красный, жёлтый Марциуса, метил-оранжевый, метил-красный и метил-синий, используются в различных промышленных секторах, таких как кожевенное, строительное, бумажное, металлургическое и полиграфическое [22,23,24]. Вредные ионы металлов (Pb, Cr, Hg, Cu и др.), образующиеся из-за использования этих красителей, вызывают делетериальные эффекты на человеческую и водную жизнь. Воздействие неочищенных красителей и токсичных ионов металлов может привести к серьезным заболеваниям, таким как анемия, рак, энцефалопатия и ослабление иммунной системы [20, 25]. Кроме того, избыточное естественное органическое вещество может увеличить уровень токсичности и неблагоприятно влиять на системы очистки воды [26].

Соль и другие незначительные примеси могут быть удалены из воды широко доступными техниками; однако удаление вредных красителей и токсичных ионов металлов более сложно. Разнообразные маршруты использовались для очистки воды от этих загрязнителей, включая фотокатализ [16], магнитную помощь [27], удаление масла [28] и фильтрацию и коагуляцию [29]. Среди этих техник катализ занимает важное место, так как он считается экологичным, экономичным и энергоэффективным. Кроме того, большая удельная поверхность и превосходные химические и физические свойства BN-NS делают его подходящим для использования в качестве катализатора в очистке сточных вод [17].

В настоящем исследовании магнитные свойства синтезированных образцов также исследуются из-за их потенциального влияния на процесс очистки сточных вод. Традиционно переходные металлы, содержащие электроны в 3d или 4f оболочках, отвечают за происхождение магнетизма. Литература указывает на то, что спонтанная намагниченность также наблюдается в безметаллических легких элементах, содержащих электроны в s и p орбиталях [30, 31]. Более того, происхождение ферромагнетизма в разбавленных магнитных полупроводниках или оксидах (DMS(O)s) острее обсуждается [32, 33]. Теоретический анализ предполагает, что периодические дефекты в графеноподобных (2D) наноматериалах, особенно h-BN, индуцируют магнитный порядок (ферромагнетизм, ферримагнетизм и антиферромагнетизм) [34]. Более того, эти дефекты в h-BN благоприятно действуют для изменения его диамагнитного поведения в сторону ферромагнетизма [35]. Переходные металлы (например, Ni, Fe, Cu, Zn и Co) демонстрируют удовлетворительные магнитные свойства; поэтому легирование этих видов в нанослои BN предвещает перспективные результаты. Соответственно, легирование переходного металла (Co) в h-BN порождает внешние дефекты, которые вместе с внутренними дефектами служат для усиления его магнитных свойств [36].

В настоящем исследовании простая гидротермическая техника использовалась для приготовления Co-легированных нанослоев BN с усиленной каталитической активностью и магнитным поведением. Влияние легирования изучалось путем оценки структурных, морфологических, оптических и магнитных свойств BN-NS.

Методы

Текущее исследование направлено на синтез различных концентраций Co в нанослоях h-BN через гидротермический путь для удаления органических загрязнителей из текстильной воды и магнитного поведения.

Материалы

Объемный BN порошок (98%), диметилформамид (DMF), метилен-синий (MB) и борид натрия (NaBH₄) приобретены в Sigma-Aldrich Co. (Германия). Кобальт (II) нитрат гексагидрат (CoH₁₂N₂O₁₂) (98%) приобретен в VWR chemicals (Великобритания). Все химикаты, приобретенные для этого исследования, использовались без дополнительной очистки.

Эксфолиация и синтез Co-легированного BN

Химический эксфолиационный путь использовался для синтеза BN-NS. Во-первых, 5 г объемного BN порошка растворено в 200 мл DMF и перемешано 20 мин для получения стокового раствора. За этим следовала интенсивная ультразвуковая обработка 12 ч. После ультразвука, всплывшие BN слои собраны из стокового раствора. Легирование выполнено гидротермическим подходом. В этом методе кобальт (II) нитрат гексагидрат использовался как Co легирующий элемент. Различные весовые соотношения кобальта (II) нитрата гексагидрата (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) легированы на собранные нанослои BN. После этого выбранные BN-NS и кобальт (II) нитрат гексагидрат с различными соотношениями (1:0,25, 1:0,05, 1:0,075, 1:0,1) диспергированы в 100 мл деионизированной воды под непрерывным перемешиванием 15 мин. Суспензия залита в нержавеющий автоклав, помещен в вакуумную печь при 200 °C на 10 ч, как схематически показано на рис. 1. Наконец, автоклав извлечен из печи и остыл при комнатной температуре. Прекурсор высушен на горячей пластине при 100–120 °C.

Схематическая иллюстрация эксфолиации и синтеза Co-легированных BN-NS

Каталитическая активность

Каталитическая активность чистых и Co-легированных BN-NS измерялась для определения степени деградации красителя. Это было выполнено путем мониторинга деградации MB в водном растворе NaBH₄, служащего восстановителем. И MB, и NaBH₄ были свежеприготовлены для обеспечения целостности экспериментальных данных. Обычно MB является наиболее часто используемым редокс-индикатором в аналитической химии для регулирования каталитической активности во время теста деградации красителя. Кроме того, MB остается синим в оксидированной форме, тогда как он появляется нейтральным при восстановлении [37]. Выполнены два каталитических эксперимента: первый с 500 мкл NaBH₄ и 2 мг катализатора, второй с 1000 мкл NaBH₄ и 4 мг катализатора. В общем, концентрация катализатора, используемая в эксперименте, является наиболее значимым фактором, влияющим на химическую реакцию. Катализатор снижает энергию активации (E_a) реакции, тем самым служа для повышения ее стабильности и скорости реакции. MB в первую очередь токсичный краситель, опасный для окружающей среды. Он может быть восстановлен NaBH₄, который преобразует его в нетоксичный и бесцветный вид. Однако процесс восстановления относительно медлен в присутствии NaBH₄. Чистые и Co-легированные BN-NS демонстрируют большую удельную поверхность, которая в сочетании с увеличением реакционной активности служит для ускорения эффективности восстановления красителя. Включение катализатора в MB в присутствии восстановителя вызывает адсорбцию. Кроме того, слой восстановителя, диспергированный над катализаторами, также может ускорить адсорбцию из-за оксидо-восстановительной реакции между катализатором и MB. Реакция восстановления катализатором происходит путем передачи e⁻ от донорского содержимого BH₄⁻ (например, из NaBH₄) к акцепторскому содержимому MB, облегченной чистыми и легированными BN-NS. Это приводит к снижению E_a, что служит для стабилизации реакции. Каталитическая активность оценивалась путем взятия 500 или 1000 мкл NaBH₄, разбавленного в 10 мл раствора MB в кварцевой кувете. Затем катализатор (2 или 4 мг) добавлялся для исследования деградации MB. Деградация красителя оценивалась спектрофотометрически, как схематически показано на рис. 2. Кроме того, абсорбционные спектры в диапазоне 200–800 нм, полученные с MB, использовались как референс при комнатной температуре. Деградация красителя в присутствии чистого и легированного катализатора подтвердила усиленную каталитическую активность, в то время как NaBH₄ не смог деградировать MB.

Схематическая иллюстрация экспериментальной установки для оценки каталитической активности

Характеризация материалов

Приготовленные образцы анализировались различными техниками. Фазовый состав и степень кристалличности оценивались с помощью PAN аналитического X-pert PRO рентгеновского дифрактометра (XRD) с Cu-Kα излучением (λ = 1,5418 Å) и 2θ в диапазоне 5°–80°. Преобразование Фурье инфракрасной спектроскопии (FTIR) выполнялось с помощью спектрометра Perkin Elmer для подтверждения наличия функциональных групп. Эмиссионные спектры получены из фотолюминесценции (PL) спектроскопа с использованием спектрофлюорометра JASCO FP-8200. Рамановские спектры получены с DXR Рамановским микроскопом (Thermo scientific) с диодным лазером 532 нм. Морфологическое исследование проводилось с помощью JSM-6460LV полевого эмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) и Philips CM30 и JEOL JEM 2100F высокого разрешения передаточного электронного микроскопа (HR-TEM). Оптические свойства записаны через УФ-видимый Genesys 10S спектрофотометр. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) использовалась для прослеживания элементного состава. Магнитные свойства измерялись вибрирующим образцом магнетометром (VSM).

Результаты и обсуждение

XRD использовался для анализа фазы и кристаллической структуры приготовленных образцов, как проиллюстрировано на рис. 3а. Дифракционные пики наблюдались при 26,8°, 41,6°, 43,52° и 50,2°, которые проиндексированы как плоскости (002), (100), (101) и (102) соответственно. Наблюдаемые отражения подтверждают наличие гексагональной фазы BN и хорошо согласуются с JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Стоит отметить, что интенсивность характерного пика от чистого к легированному образцу увеличивается, что указывает на улучшение кристалличности при включении Co. Кроме того, XRD паттерны показывают сдвиг пика в сторону большего дифракционного угла, что атрибутируется наличию легирующего элемента в образцах [40]. Межслойный интервал d₀₀₂, рассчитанный с помощью закона Брагга (nλ = 2dsinθ), составил ~ 0,34 нм, что согласуется с результатами HR-TEM [41].

а XRD паттерны первобытных и различных концентраций (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) Co-легированных BN-NS. б FTIR спектры

FTIR выполнялся для идентификации ИК отпечатков в контрольных и легированных нанослоях, как проиллюстрировано на рис. 3б. Спектры наблюдались при ~ 808, 1020, 1160, 1370, 1672 и 3187 см⁻¹. Два основных пика идентифицированы при 808 и 1370 см⁻¹, которые считаются ассоциированными с B–N–B (сгибающие вибрации) и B–N (растягивающая вибрация) соответственно. Последний пик ассоциирован с режимом сгибающей вибрации A_2u (внеплоскостной), в то время как первый пик хорошо совпадает с режимом растягивающей вибрации E_1u (вплоскостным) [42, 43]. Более того, пики при 1020, 1160 и 1672 см⁻¹ согласуются с C–O, B–N–O и C=O связями соответственно [44]. Другой пик, центрированный при 3187 см⁻¹, соответствует B–OH связи [45, 46].

Идентификация структурных отпечатков проведена Рамановскими спектрами, как проиллюстрировано на рис. 4а. Спектры показывают характерную Рамановскую полосу, центрированную при 1370 см⁻¹, приписываемую активному фононному режиму E_2g h-BN и коррелируемую с G пиком графена [47]. Эксфолиационные BN-NS демонстрируют незначительные пики при 550 и 880 см⁻¹, приписываемые флуоресцентному фону [48]. Более того, в литературе сообщается, что высококачественный монохрустальный h-BN демонстрирует активный фононный режим E_2g при 1367 см⁻¹ [40]. В данном исследовании краснеющий активный фононный режим E_2g возникает в результате слабого взаимодействия между интерслоями BN. Более того, краснеющие Рамановские спектры показывают наличие нескольких слоистых нанослоев, что вызывает незначительное удлинение связей 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, элементное легирование, упорядочивание сложенных слоев, размер домена и пористость могут приводить к расширению и сдвигу пиков [51].

а Рамановские спектры контрольных и легированных BN-NS. б PL спектры

PL спектроскопия выполнялась для понимания экситонной миграции и рекомбинации электронно-дырочных пар, как продемонстрировано на рис. 4б. Спектры наблюдались с длиной волны возбуждения и эмиссии λ_ex = 220 нм и λ_em = 310 нм соответственно. Характерная полоса, наблюдаемая при ~ 322–342 нм, соответствует электронно-дырочному переходу из-за уровня примеси [52, 53]. Стоит отметить, что экситонная полоса увеличивается, но не показывает сдвиг длины волны при легировании. Характерные пики при ~ 446 нм и ~ 471 нм указывают на то, что PL интенсность резко возрастает от чистого к легированным образцам. Тем временем 10 wt% Co-легированные BN-NS имеют максимальную PL интенсивность среди всех образцов, указывающую на максимальную рекомбинацию электронно-дырочных пар. Интенсивность постепенно снижается из-за концентрации легирования, указывая на разделение фотосгенерированных зарядов [54]. Эмиссионные спектры раскрыли зависящее от возбуждения PL поведение, согласующееся с ранее сообщенными результатами [55].

УФ-видимая спектроскопия использовалась для исследования абсорбционных спектров и запрещенной зоны приготовленных продуктов, как показано на рис. 5а. Характерный абсорбционный пик хозяина BN-NS был на пороге ~ 205 нм в глубокой ультрафиолетовой области (DUV), относящийся к запрещенной зоне ~ 5,7 эВ, как представлено на рис. 5б. Стоит упомянуть, что объемный BN индуцирует запрещенную зону 5,2–5,4 эВ, в то время как монослой раскрывает запрещенную зону ~ 6,07 эВ, что хорошо совпадает с теоретическими расчетами (например, 6,0 эВ). В случае би/многослойных, значение запрещенной зоны варьируется от 5,56 до 5,92 эВ [43]. Быть согласованным с широкой запрещенной зоной на рис. 5б и DUV люминесцентным поведением на рис. 5а, нанослои h-BN могут рассматриваться как новый кандидат для различных приложений в фотоэмиссии, УФ-лазинге и DUV детекторах [56]. Более того, край абсорбции сдвигался к более длинным длинам волн с увеличением концентраций легирования (2,5 до 10 wt%), демонстрируя красное смещение (рис. 5б) [57].

а УФ-видимые спектры чистых и Co-легированных BN-NS. б График Таука для запрещенной зоны

Морфология и состав контрольных и легированных BN-NS анализировались с помощью FE-SEM, как показано на рис. 6а. Микрографии указывают на то, что полученные частицы обладают агрегатной нанослойной структурой с гладкой поверхностью и изогнутыми краями. Рисунок 6 б–д показывают нанослои BN, покрытые кобальтом. Агломерация наблюдалась во всех образцах. FE-SEM микрографии раскрывают, что нанослои сложены с компактной слоистой структурой и обладают неравномерной формой и латеральными размерами. Конфигурация и размеры нанослоев являются следствием эксфолиации объемного BN порошка. Морфология полученного продукта дополнительно подтверждена HR-TEM анализом. Из HR-TEM микрографий, показанных на рис. 6а–д, наблюдалась слоистая морфология приготовленных продуктов. Более того, компактные шероховатые поверхности нанослоев наблюдались с слегка пористыми особенностями, что приводит к усиленной каталитической активности. Темные сферические пятна наблюдались, указывающие на успешное включение легирующего элемента. Минутное наложение и скрученные края нанослоев были зафиксированы, как показано SEM анализом на рис. 6а–д. Экспериментальные результаты указывают на то, что FE-SEM и HR-TEM анализ указывают на успешную эксфолиацию нанослоев BN из объемного BN.

а, а' FE-SEM и HR-TEM изображения чистых BN-NS. б–д FE-SEM (2,5, 7,5 и 10 wt%) легированных BN-NS. б'–д' HR-TEM (2,5, 7,5 и 10 wt%) легированных BN-NS (вставка 50 нм)

Измерения межслойного интервала чистых и легированных образцов проведены с помощью IFFT (см. вставку), индуцированного посредством FFT изображений HR-TEM, исследованных через программное обеспечение Gatan digital micrograph для различения решетчатых периодических структур. Наблюдаемое значение d-интервала для первобытных и 2,5 wt% легированных BN-NS составляет 0,34 нм и 0,21 нм, что соответствует плоскостям d₀₀₂ и d₁₀₀ соответственно, как проиллюстрировано на рис. 7а, в. Эти выводы хорошо согласуются с XRD анализом и стандартными данными [58]. Более того, SAED профили продемонстрированы на рис. 7б, д, которые означают яркие точечные дифракционные кольца. Эти дифракционные кольца проиндексированы как исходящие от плоскостей (002), (100), (101) и (102), что согласуется с результатами XRD. SAED паттерны указывают на то, что все кольца принадлежат гексагональному BN и подтверждают высококристаллическую природу нанослоев [58].

а, в d-интервальный анализ хозяина и 2,5 wt% легированных BN-NS. б, г SAED паттерны контроля и 2,5 wt% легированных BN-NS

Поверхностный элементный состав легированных BN-NS исследуется через EDS анализ, как показано на рис. 8а–д соответственно. Полученные микрографии демонстрируют сильные пики бора (B) и азота (N), в то время как незначительный сигнал кобальта (Co) также наблюдался в EDS спектре (рис. 8а). Два умеренных пика Co при 0,5 и 7 кэВ наблюдались в Co-легированных образцах, подтверждающие успешное включение легирующего элемента. Кроме того, углеродный сигнал ниже 1 кэВ исходит от углеродных вкладок, использованных для удержания образца во время анализа и/или обусловлен высокими фоновыми счетами в SEM-EDS детекторе. В противном случае в образце не было углерода [59].

а–д EDS анализ различных концентраций (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) Co-легированных BN-NS

Магнитные свойства Co-легированных BN-NS оценивались с помощью M–H кривой, используя VSM измерения. На графике, показанном на рис. 9, сигмоидное появление M–H петель демонстрирует, что Co-легированные BN-NS характеризуются магнитным моментом. Литературное исследование раскрывает, что первобытный BN показывает диамагнитное поведение с восприимчивостью (χ ≈ − 8,6 × 10⁻⁷ эмю/г) [31, 35]. В противовес, Co-легированные BN-NS демонстрируют комнатнотемпературный ферромагнетизм (RT-FM), возникающий из обменного взаимодействия среди Co²⁺ ионов и непарных диполей, стремящихся выровняться вдоль приложенного магнитного поля. Можно видеть, что гистерезисная петля появляется более четкой, а также концентрация легирования увеличивается, что подтверждает чистоту и успешное включение легирующего элемента. Коэрцитивность, остаточная намагниченность и насыщенная намагниченность Co-легированных BN-NS предсказывают мягкость и твердость магнитного материала. Co-легирование в BN-NS приводит к образованию мягкого магнитного материала. Значения остаточной намагниченности (M_r), насыщенной намагниченности (M_s) и коэрцитивности (H_C) для различных концентраций легирования (2,5, 5 и 7,5 wt%) рассчитаны по M–H кривой, как продемонстрировано в таблице 1.

M–H кривая различных концентраций (2,5, 5 и 7,5 wt%) Co-легированных BN-NS

Каталитическая активность первобытных и Co-легированных BN-NS, работающих как катализаторы, выражалась деградацией MB и исследовалась через абсорбционные спектры, мониторимые УФ-видимым спектрофотометром. Рисунок 10 а–h показывают результаты каталитической активности с использованием 500 мкл NaBH₄ и 2 мг катализатора. С рис. 10а видно, что NaBH₄ не удается успешно деградировать MB, так как он деградирует только 8% красителя за 40 мин. Включение чистых BN-NS в MB в присутствии NaBH₄ привело к 45% деградации за 30 мин (рис. 10б). Более того, деградационная способность Co-легированных BN-NS (см. рис. 10б–е) была значительно выше. Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) легированного катализатора демонстрируют 58, 77, 90 и 97% деградацию за 13, 8, 3 и 2 мин соответственно. Интересно, 10 wt% легированные нанослои дают превосходную каталитическую активность и деградируют 97% красителя всего за 2 мин, что выше, чем (7,5, 5 и 2,5 wt%) легированные концентрации, и характерная пиковая интенсивность наблюдается при ~ 290 и 665 нм. Этот прирост в деградации красителя, возможно, обусловлен усилением доступной адсорбции, а также каталитических центров на катализаторах. В этом механизме 3d состояние Co хорошо взаимодействует с 2p состоянием соответствующих доступных B или N центров в BN-NS. Это сильное взаимодействие между 3d Co и 2p B или N состояниями вызывает усиление каталитической активности и приводит к быстрой деградации красителя, что благоприятно подтверждает наши результаты [60].

а Временнозависимые УФ-видимые спектры NaBH₄. б первобытные BN-NS. в–е Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) Co-легированных BN-NS. ж Графики C_t/C_o против времени. з Сравнение процента деградации над различными концентрациями BN-NS

Каталитический эксперимент повторен с использованием 1000 мкл NaBH₄ и 4 мг катализатора. Увеличением концентрации катализатора реакция протекает быстрее по сравнению с ранее упомянутым экспериментом. Это наблюдение хорошо согласуется с литературой. В настоящем эксперименте NaBH₄ все равно не смог деградировать MB, в то время как первобытные BN-NS и различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) легированного катализатора деградировали 51, 65, 82, 95 и 99% за 27, 10, 6, 2 и 1 мин соответственно, как оценено спектрофотометром. Экспериментальные результаты измерения каталитической активности проиллюстрированы на рис. 11а, б.

а Графики C_t/C_o против времени с использованием NaBH₄ = 1000 мкл и катализаторы = 4 мг. б Сравнение процента деградации над различными концентрациями. в Графики C_t/C_o против времени для повторного использования 10 wt% Co-легированных BN-NS. г Графики C_t/C_o против времени для повторного использования 10 wt% Co-легированных BN-NS

Согласно закону Бера-Ламберта, отношение концентрации MB в конкретное время (C_t) и начальной концентрации MB (C_o), обозначаемое как C_t/C_o, может быть оценено отношением параллельной абсорбции (A_t/A_o). Рисунки 10 ж и 11 а изображают временной ход C_t/C_o, используемый для всех катализаторов, в то время как рис. 10 з и 11 б указывают процент деградации всех катализаторов. Процент деградации оценивался уравнением 1.

$$ \mathrm{Degradation}\ \left(\%\right)=\frac{Co- Ct}{Co}\times 100 $$ (1)

Более того, значение pH является жизненно важной операционной переменной в обработке деградации красителя. Также pH играет важную роль в очистке текстильных сточных вод и в механизмах реакций, способствующих деградации красителя. Стоит упомянуть, что процент деградации зависит от значения pH в значительной степени. В настоящем эксперименте значение pH установлено на 8,5. Значительно, деградация красителя из-за каталитической активности продемонстрировала лучшие результаты в щелочной среде, что благоприятно подтверждает наши экспериментальные находки. Несколько отчетов раскрывают, что наивысшая деградация красителя каталитической активностью наблюдалась в щелочной среде [61].

Стабильность и повторное использование (рециклируемость) катализатора — важная характеристика для оценки катализатора, используемого для деградации красителя. В настоящем исследовании стабильность катализатора оценивалась допущением проведенного эксперимента к пребыванию 48 ч. После 48 ч результаты были такими же, как выполненные изначально, то есть деградация все еще в ее предыдущем состоянии. Повторное использование катализатора исследуется переработкой 10 wt% Co-легированного катализатора, который служил превосходным катализатором в настоящем исследовании, на три цикла. Извлеченные спектры переработанной каталитической активности оценивались, как показано на рис. 11в, г.

Кроме того, нагрузка катализатора до и после трех циклов процесса переработки исследуется. В первой и второй активности незначительная потеря веса катализатора в диапазоне от 2 мг и 4 мг (до) до 1,7 мг и 3,6 мг (после трех циклов) была детектирована, учитывая ~ 5% чувствительного отклонения в настоящем эксперименте. Эти выводы указывают на то, что Co-легированные BN-NS демонстрируют выдающуюся стабильность, служа катализатором. Наконец, это исследование предполагает, что Co-легированные BN-NS демонстрируют эффективное и выдающееся каталитическое поведение по отношению к деградации красителя в очистке промышленных сточных вод.

Заключение

В этом исследовании нанослои нитрида бора (BN-NS) были синтезированы химической эксфолиацией объемного BN порошка. Различные концентрации (2,5, 5, 7,5 и 10 wt%) Co успешно включены через гидротермический подход. Как приготовленные, чистые и легированные BN-NS были охарактеризованы различными техниками для оценки эффекта легирования. XRD паттерны подтверждают наличие гексагональной фазы BN с улучшенной кристалличностью от чистых к легированным образцам. Более того, сдвиг пика указывает на успешное включение легирования. FTIR спектры указывают на sp² связанные B–N растягивающие вибрации, согласованные с режимом E_1g (вплоскостным), а также B–N–B сгибающую вибрацию, ассоциированную с режимом A_2u (внеплоскостным). Рамановская спектроскопия подтвердила активный фононный режим E_2g h-BN, в то время как фотолюминесценционная спектроскопия раскрыла эмиссионные спектры, приписываемые экситонной миграции и рекомбинации. Хозяин и Co-легированные BN-NS демонстрировали абсорбцию в DUV области вместе с красным смещением, вызывающим снижение энергии запрещенной зоны, что указывает на его пригодность как материала для деградации красителя из промышленных сточных вод и органических загрязнителей. Слоистая морфология полученного продукта изучена с помощью FE-SEM и HR-TEM. Слегка пористые особенности приводят к высокой каталитической активности из-за доступных адсорбционных центров. EDS анализ показал чистоту образца и подтвердил включение легирующего элемента в нанослои. Магнитное поведение Co-легированных BN-NS исследуется через VSM измерения, демонстрирующие сильное ферромагнитное поведение, в то время как первобытные BN-NS показывают диамагнитное поведение. Значительно, сигмоидное появление гистерезисной петли становится более точным от более низкой к более высокой концентрации Co-легированных BN-NS, что указывает на формирование мягкого магнитного материала. В заключение, чистые и Co-легированные BN-NS использовались как катализатор в деградации красителя. Каталитическая активность дает эффективные результаты для большинства образцов, но 10 wt% Co-легированный катализатор показал значительный результат с наивысшей деградацией красителя (99%) за 1 мин, делая его новым катализатором в этом исследовании. Извлеченные результаты из чистых и легированных BN-NS могут использоваться как руководство для модификации и усиления магнитных свойств для улучшения надежности в современных оптоэлектронных технологиях. Наконец, синтезированный материал имеет потенциал быть использованным как стабильный, повторно используемый и превосходный нано-катализатор для замены обычных методов очистки сточных вод.