Новый взгляд на фотокаталитические свойства NH4V4O10 и его композита с rGO

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3946 (2023) Цитировать эту статью

918 Доступов

Подробности о метриках

Фотокатализ, управляемый солнечной энергией, показал большой потенциал в качестве устойчивой технологии очистки сточных вод, которая использует чистую солнечную энергию для разложения загрязняющих веществ. Следовательно, большое внимание уделяется разработке новых, эффективных и недорогих фотокаталитических материалов. В данной работе мы сообщаем о фотокаталитической активности NH4V4O10 (NVO) и его композита с rGO (NVO/rGO). Образцы были синтезированы с помощью простого гидротермального метода в одном сосуде и успешно охарактеризованы с помощью XRD, FTIR, комбинационного рассеяния света, XPS, XAS, TG-MS, SEM, TEM, адсорбции N2, PL и UV-vis DRS. Результаты показывают, что полученные фотокатализаторы NVO и NVO/rGO обладают эффективным поглощением в видимой области длин волн, высоким содержанием поверхностных частиц V4+ и хорошо развитой площадью поверхности. Такие особенности привели к превосходным характеристикам фотодеградации метиленового синего при искусственном освещении солнечным светом. Кроме того, композит NH4V4O10 с rGO ускоряет фотоокисление красителя и способствует повторному использованию фотокатализаторов. Более того, было показано, что композит NVO/rGO может успешно использоваться не только для фотоокисления органических загрязнений, но и для фотовосстановления неорганических загрязнителей, таких как Cr(VI). Наконец, был проведен эксперимент по улавливанию активных видов и обсужден механизм фотодеградации.

Рост населения и быстрая урбанизация отрицательно влияют на водную среду. Каждый день промышленность, сельское хозяйство и домашние хозяйства производят огромное количество сточных вод, которые могут загрязнять реки, озера и моря. Одной из основных проблем являются органические загрязнения, такие как красители или антибиотики, которые обычно токсичны и не поддаются биологическому разложению1. Даже низкие концентрации красителей в водных системах могут быть очень опасны для водных организмов из-за блокирования солнечного света, необходимого для фотосинтеза2,3. Другой опасной группой загрязнителей являются ионы тяжелых металлов, которые хорошо растворимы в водной среде, не поддаются биоразложению и поэтому имеют тенденцию накапливаться в живых организмах либо напрямую, либо через пищевую цепь4. Токсическое действие многих тяжелых металлов неоспоримо, и во многих случаях воздействие следовых количеств этих металлов может нанести серьезный ущерб здоровью человека и экосистеме5. Например, Cr(VI) обладает высокой канцерогенностью. Агентство по охране окружающей среды США включило его в первую двадцатку списка приоритетных опасных веществ6, а рекомендуемый ВОЗ безопасный предел содержания Cr(VI) в питьевой воде равен 0,1 ppm7. К сожалению, промышленные сточные воды, образующиеся при производстве красок, бумаги, консервантов или при обработке поверхности металлов (гальванике), по-прежнему могут считаться основным источником Cr(VI). Следовательно, очень важно удалять вышеупомянутые загрязнители из сточных вод и защищать окружающую среду. Было предложено множество методов очистки сточных вод, таких как адсорбция, фильтрация, коагуляция или фотокаталитическая деградация8. В частности, последний весьма перспективен, поскольку не только удаляет загрязнения, но и приводит к их разложению. Таким образом, по сравнению с другими популярными методами, в которых примеси переводятся из одной фазы в другую, фотокатализ выигрывает за счет отсутствия вторичных загрязнений. Более того, процесс обычно быстрый, часто использует естественный источник света и может проводиться в условиях окружающей среды. Из-за вышеперечисленных преимуществ поиск и разработка новых фотокаталитических материалов является важной темой текущих исследований9,10. Среди различных материалов оксиды металлов широко исследовались на предмет фоторазложения загрязнителей воды11,12. Оксиды на основе ванадия особенно многообещающи из-за их эффективной способности улавливать видимый свет (из-за узкой запрещенной зоны, например ~2 эВ), высокой химической стабильности и значительной каталитической активности13,14. Многие ванадаты металлов были предложены в качестве многообещающих фотокатализаторов, работающих на солнечной энергии. Примеры включают Cu3V2O815, Ag3VO4/AgVO316, InVO417 или BiVO418, которые являются наиболее известными катализаторами в этой области. Недавно мы предложили использовать простую соль калия (формиат калия) в качестве многообещающей альтернативы для синтеза фотокатализаторов, управляемых видимым светом. Полученные ванадаты калия (KV3O8, K2V6O16•nH2O) проявили превосходную фотокаталитическую активность, что привело к деградации метиленового синего (МБ) более чем на 90% за первые 30 мин19.