Blog

Jul 23, 2023

Bandlücken-Engineering-Ansatz zur Gestaltung des CuO/Mn3O4/CeO2-Heteroübergangs als neuartigen Photokatalysator für AOP

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3009 (2023) Diesen Artikel zitieren 1336 Zugriffe 3 Zitate Metrikdetails In der vorliegenden Arbeit wurde ein ternäres Nanohybrid CuO/Mn3O4/CeO2 unter Verwendung von a entwickelt

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3009 (2023) Diesen Artikel zitieren

1336 Zugriffe

3 Zitate

Details zu den Metriken

In der vorliegenden Arbeit wurde ein ternäres Nanohybrid CuO/Mn3O4/CeO2 mithilfe einer durch Co-Präzipitation unterstützten hydrothermischen Methode entwickelt. Die Struktur, Morphologie, Elementzusammensetzung, elektronischen Zustände der Elemente und optischen Eigenschaften des entworfenen Photokatalysators wurden mithilfe entsprechender Analysetechniken untersucht. Ergebnisse von PXRD, TEM/HRTEM, XPS, EDAX und PL zeigten, dass sich die gewünschte Nanostruktur gebildet hatte. Unter Verwendung des Energiebandlückendiagramms von Tauc wurde festgestellt, dass die Bandlücke der Nanostrukturen etwa 2,44 eV betrug, was zeigt, dass sich die Bandränder der verschiedenen Einheiten, CeO2, Mn3O4 und CuO, verändert hatten. Somit führten verbesserte Redoxbedingungen zu einer erheblichen Verringerung der Rekombinationsrate von Elektron-Loch-Paaren, was durch eine PL-Studie weiter erklärt wurde, indem die Ladungstrennung eine Schlüsselrolle spielt. Bei 60-minütiger Bestrahlung mit sichtbarem Licht zeigte sich, dass der Photokatalysator eine Photoabbaueffizienz von 98,98 % für den Farbstoff Malachitgrün (MG) erreichte. Der Photoabbauprozess verlief nach einem reaktionskinetischen Modell pseudo-erster Ordnung mit einer hervorragenden Reaktionsgeschwindigkeit von 0,07295 min−1 mit R2 = 0,99144. Die Auswirkungen verschiedener Reaktionsvariablen, anorganischer Salze und Wassermatrizen wurden untersucht. Ziel dieser Forschung ist die Schaffung eines ternären Nanohybrid-Photokatalysators mit hoher Photostabilität, Aktivität im sichtbaren Spektrum und Wiederverwendbarkeit für bis zu vier Zyklen.

Viele Berufe und Industrien verwenden organische Farbstoffe, darunter Stoffe, Plastikfolien, Leder, Medizin, Hautpflege und Ernährung, um ihre Waren zu färben und ihre Abwässer ohne primäre Pflege in das Ökosystem abzugeben1,2. Diese farbenfrohen organischen Schadstoffe sind gefährlich für die Gewässer und die menschliche Gesundheit3,4,5. Diese Farbstoffe verhindern, dass Sonnenlicht in Wasserströme eindringt, verlangsamen das Photosynthesephänomen im Wasserökosystem und können mit ionischen Metallen interagieren, um Chelatkomplexe zu bilden, was alles zu einer Toxizität für Lebewesen führt6. Malachitgrün (MG), ein kationischer Farbstoff, wird in vielen Industrien als Färbemittel für Leder-, Textil- und Wollwaren sowie in der Fischereiindustrie als Parasitizid eingesetzt (Abb. 1). Allerdings ist MG als krebserregendes Toxin bekannt und kann bereits in geringen Konzentrationen (1 mg L−1) die menschliche Gesundheit ernsthaft schädigen7,8,9,10. Es wurden Initiativen ergriffen, um das Wasser frei von diesen schädlichen organischen Farbstoffen wie MG-Farbstoffen zu halten. In diesem Zusammenhang hat die Herstellung eines wirksamen Photokatalysators in Nanogröße großes Interesse geweckt11,12.

Chemische Struktur des Farbstoffs Malachitgrün (MG).

Im Gegensatz zu anderen Ansätzen zur Abwasserbehandlung wie Filtration, Sedimentation, Koagulation, Adsorption usw. werden beim photokatalytischen Abbau die organischen Schadstoffe vollständig abgebaut. Es entstehen keine giftigen Nebenprodukte, die sich gegenüber anderen Wasseraufbereitungsmethoden als resistent erwiesen haben13,14. Weitere Studien auf dem Gebiet der Photokatalyse führten zur Entwicklung einer neuartigen, nicht oxidativen Methode, die als Advanced Oxidation Process (AOP) bezeichnet wird. Diese Techniken zielen darauf ab, gefährliche organische Schadstoffe wie Malachitgrün vollständig abzubauen und reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen15,16.

Die Beseitigung widerspenstiger organischer Schadstoffe aus Gewässern wurde mithilfe einer Art AOP namens heterogene Photokatalyse erreicht17,18. CeO2 ist ein Halbleiter mit effizienter Elektronenmobilität, einer Bandlücke von ~ 3,27 eV, ausgezeichneter elektrochemischer Stabilität und einem guten isoelektrischen Punkt von 9 gegenüber Katalysatorsystemen19,20,21. Trotz zahlreicher Vorteile schränkt seine große Bandlücke seine Anwendbarkeit bei der Bestrahlung im UV-Bandbereich ein22. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass seine Funktion als Photokatalysator durch übermäßige Elektron-Loch-Rekombination beeinträchtigt wird23,24. Eine Feinabstimmung der Bandlücke von CeO2 durch die Kombination verschiedener Halbleiter (Metalloxide) mit geringeren Bandlücken und rechten Bandkanten wäre notwendig, um eine wesentliche Trennung der photogenerierten Elektron-Loch-Paare aufrechtzuerhalten25,26. CeO2 hat in seiner reinsten Form eine Bandlücke von etwa 3,2 eV Breite. Reine CeO2-Nanopartikel können sichtbares Licht nicht effizient einfangen, da der empfangenen Strahlung die notwendige Energie zur Erzeugung von Ladungsträgern fehlt27.

Dennoch wurde berichtet, dass n-p- oder n-n-Heteroübergänge mit Halbleitern mit schmaler Bandlücke wie CeO2/CdS28, blütenähnlichen CeO2/Mn3O4-Mikrokügelchen29 oder CeO2/CuO30 die Trennung zwischen Valenz- und Leitungsband deutlich verbessert haben. Darüber hinaus erhöht die Paarung von Halbleitern mit engerer Bandlücke das Erntepotenzial des Katalysators für sichtbares Licht. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Katalysators, wenn er sichtbarem Licht der LED ausgesetzt wird. In letzter Zeit wurden Metalloxide mit einer ternären Materialzusammensetzung, darunter CeO2/MgAl2O4/Mn3O422, CeO2/PAN-ZnO/PAN-Mn3O431 und CeO2/CuO/TiO232, umfassend auf ihre synergistisch gesteigerte photokatalytische Effizienz unter der Belichtung mit sichtbarem Licht untersucht. Die Entwicklung eines ternären Metalloxid-Heteroübergangs mit einer geeigneten Valenzleitungsbandposition kann die photokatalytische Leistung des endgültigen Nanokomposits erheblich verbessern. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Bandlückengrenzen von CeO2 auf eine Weise abzustimmen, die finanziell machbar wäre. Dies gelang den Autoren der vorliegenden Studie durch die Zusammensetzung von CeO2 mit kostengünstigen Nanomaterialien wie Mn3O4 und CuO, die jeweils eine geringere Bandlücke im Vergleich zu CeO2 und zueinander passende Bandkonfigurationen aufweisen. Diese Materialien sind vielversprechende Kandidaten für die Erfassung sichtbaren Lichts. Die spezifische Bandlücke von CuO beträgt etwa 1,79 eV, und gekoppelte Systeme haben gezeigt, dass CuO eine hohe photokatalytische Effizienz aufweist. Eine Bandlücke von 2,27 eV oder weniger in Mn3O4 könnte die Trennung von photogenerierten Elektronen und Löchern weiter verbessern. Mn3O4-basierte Photokatalysatoren haben kürzlich eine außergewöhnliche Reaktionsfähigkeit auf die durch sichtbares Licht gesteuerte Photokatalyse gezeigt.

In der vorliegenden Arbeit wird eine einfache hydrothermale Methode zur Synthese von CuO/Mn3O4/CeO2, abgekürzt als „CMCu“, als effiziente photokatalytische Nanostruktur behandelt und eine gründliche Studie durchgeführt, um die photokatalytische Abbaueffizienz von CMCu in der Nanostruktur zu bewerten Photoabbau eines organischen Schadstoffs, des Farbstoffs Malachitgrün (MG), in wässrigem Medium. Der photokatalytische Abbau des MG-Farbstoffs CMCu dauerte 60 Minuten, mit einer Photoabbaueffizienz von 98,98 %. Es wurde beobachtet, dass das reaktionskinetische Modell pseudo-erster Ordnung mit einer Geschwindigkeitskonstante von 0,07295 min−1 und R2 = 0,99144 mit dem Photoabbauprozess kompatibel ist. Um die Anwendung des entwickelten Photokatalysators in der realen Welt besser zu verstehen, wurde eine rudimentäre Untersuchung der Auswirkungen koexistierender Substanzen und realer Wasserproben auf den Photoabbau des Malachitgrünfarbstoffs (Schadstoff) durchgeführt. Diese Arbeit ist innovativ, weil sie einen neuartigen ternären Heteroübergang von Metalloxiden, nämlich CMCu, synthetisiert und ihn dann zur Entfernung eines Schadstoffs, des MG-Farbstoffs, verwendet.

Reagenzien in AR-Qualität wurden von Sigma Aldrich gesammelt und ohne weitere Reinigung verwendet. Zu diesen Reagenzien gehörten Cernitrat-Hexahydrat (Ce (NO3)3.6H2O), Kupferacetat-Monohydrat (C4H8CuO5), Manganchlorid-Tetrahydrat (MnCl2.4H2O), Natriumhydroxid, Malachitgrün (C23H25ClN2) und entionisiertes Wasser usw.

Die kristalline Natur von CuO/Mn3O4/CeO2 oder CMCu und CeO2 wurde mit einem Bruker D8 Advance-Röntgendiffraktometer bewertet, das mit Cu-Ka bestrahlt wurde. TEM- und SAED-Studien von CMCu wurden mit Hilfe eines JEOL JEM 2100-Geräts durchgeführt. Zur Durchführung der Röntgenphotoelektronenspektroskopie von CMCu wurde ein Spektrometer PHI 5000 Versa Prob II verwendet. Mit einem JEOL-Modell JSM-6390LV wurden ein EDAX-Spektrum und eine Elementkartierung für das CMCu-Nanokomposit erstellt. Das Instrument Hitachi F4600 wurde verwendet, um Daten zur Photolumineszenz von CMCu, Mn3O4/CeO2 (MC), CeO2/CuO (CCu), CeO2, Mn3O4 und CuO zu erhalten. Das UV-Vis-Spektrophotometer GENESYS 10S wurde verwendet, um die UV-Vis-Absorptionsreaktionen der Materialien aufzuzeichnen.

Die Synthese von Nanomaterialien wurde über die Eintopf-Fällungs- und Hydrothermalmethode angegangen und folgte mit einigen notwendigen Modifikationen den zuvor veröffentlichten Arbeiten33 auf diesem Gebiet. Eine Eisessiglösung von 1 ml wurde zu einer wässrigen Lösung von 25 mmol C4H8CuO5 (Kupferacetat-Monohydrat) gegeben und auf einer Heizplatte eines Magnetrührers auf 100 °C erhitzt. Zu dieser Lösung wurde tropfenweise eine wässrige NaOH-Lösung unter magnetischem Rühren hinzugefügt. Die Farbe der Mischung änderte sich langsam von Blau nach Schwarz, und es bildete sich eine beträchtliche Menge an schwarzem CuO-Niederschlag. Dieser Lösung wurden erneut 25 mmol Cernitrat-Hexahydrat (Ce (NO3)3.6H2O) zugesetzt, gefolgt von einer tropfenweisen Injektion einer wässrigen NaOH-Lösung und das gesamte Gemisch wurde kräftig gerührt. Anschließend werden 75 mmol Manganchlorid-Tetrahydrat (MnCl2.4H2O) zugegeben und eine wässrige Natriumhydroxidlösung tropfenweise in die Reaktionsmischung eingespritzt. Das Reaktionsgemisch wurde dann nach gründlichem Rühren mit einem Magnetrührer in einen Teflon-Autoklaven überführt. Der Autoklav wurde dann für 18 Stunden in einen Ofen mit 180 °C gestellt. Anschließend wurde ein bräunlicher Rückstand erhalten, gesammelt, mehrfach mit einer Ethanollösung gewaschen und an der Luft getrocknet. Zur Kalzinierung einer luftgetrockneten Probe wurde ein Muffelofen 2 Stunden lang auf 400 °C gehalten. Auf der kalzinierten Probe wurde ein Identifizierungsetikett aus CuO/Mn3O4/CeO2 (auch als CMCu abgekürzt) angebracht. Der genaue Prozess wurde verwendet, um Proben von Mn3O4/CeO2 (MC), CeO2/CuO (CCu), CeO2, Mn3O4 und CuO aus ihrem jeweiligen Vorläufermaterial zu synthetisieren. Abbildung 2 zeigt das schematische Diagramm für die Synthese der CuO/CeO2/Mn3O4-Heterostruktur.

Schematische Darstellung der Synthese der CuO/CeO2/Mn3O4-Heterostruktur.

Die photokatalytische Effizienz des entwickelten Nanokomposits wurde durch Beobachtung seiner Fähigkeit bestimmt, das MG in seinem wässrigen Medium unter LED-Licht aufzulösen. Das Experiment wurde in einer Holzkammer mit einer 25 W Philips LED-Lampe (weißes Licht) durchgeführt. Ein Luxmeter wurde in einem Gehäuse befestigt, um die Lichtintensität abzuschätzen, die bei 48,75 W m2 bei 11.870 Lux beobachtet wurde. Der MG-Farbstoffabbauprozess wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Um ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht zu erreichen, wurden die Farbstofflösung und der Photokatalysator 30 Minuten lang mechanisch geschüttelt; Anschließend wurde die Extinktion gemessen. Die höchste Absorption des Malachitgrün-Farbstoffs bei 617 nm wurde 60 Minuten lang in 10-Minuten-Schritten aufgezeichnet, um den Photoabbau zu bewerten. Die Effizienz des Abbaus wurde anhand der angegebenen Gleichung berechnet. 1:

wobei die Konstanten C0 und C die entsprechenden MG-Farbstoffkonzentrationen bei t = 0 bzw. t = t bedeuten und Gl. 2 unten wurde verwendet, um die Photoabbaukinetik zu bewerten: C0 und C bezeichnen MG-Konzentrationen bei t = 0 und t = t, und k ist die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante pseudo-erster Ordnung (in min−1).

Es wurde ein Wiederverwendbarkeitstest durchgeführt, der eine hervorragende Wiederholbarkeit bis zu vier Studienwiederholungen unter denselben Parametern ergab. Es wurden Einfangexperimente mit verschiedenen Scavengern durchgeführt, um den Einfluss reaktiver Spezies während des Photoabbaus des MG-Farbstoffs zu klären.

Um die kristallinen Phasen der synthetisierten Heterostruktur CMCu zu identifizieren, wurde eine XRD-Untersuchung durchgeführt. Die XRD-Ergebnisse des synthetisierten Nanokomposits CuO/Mn3O4/CeO2 (CMCu) und des unberührten CeO2 sind in den Abbildungen dargestellt. 3a, b. Die XRD-Daten des ternären Nanokomposits CuO/Mn3O4/CeO2 zeigten Peaks der CeO2-, Mn3O4- und CuO-Phasen, markiert in Abb. 3a. In der CeO2-Phase (JCPDS 65–2975) erzeugte die Beugung an den Ebenen (111), (200), (220), (311), (400), (331) und (442) Peaks bei 28,54°, 33,08° , 47,48°, 56,34°, 69,42°, 76,70° bzw. 88,43°34,35. Diese Peaks stimmten gut mit der zuvor gemeldeten JCPDS-Dateinummer 65–2975 überein und waren mit dem kubischen System mit einer flächenzentrierten Gitterstruktur des CeO2-Nanomaterials kompatibel. Die Zellabmessungen des kubischen CeO2 mit der Raumgruppe Fm3̅m [225] betragen a = 5,411 Å und α = β = γ = 90°36. Peaks wurden bei 2Ɵ-Werten von 32,53°, 35,55°, 38,75°, 48,70°, 58,33°, 65,80°, 66,48°, 68,15° bzw. 75,28° identifiziert, die mit den kristallographischen Ebenen (110), (1̅11) korrelieren. (111), (2̅02), (202), (022), (310), (220) und (2̅22) von CuO-Nanomaterial37. Diese Peaks stimmten mit dem monoklinen System mit einer endzentrierten Gitterstruktur des CuO-Nanomaterials überein, und die Ergebnisse stimmten mit der zuvor veröffentlichten Literatur (JCPDS 89–5899) überein, in der die Zellparameter des monoklinen CuO mit der Raumgruppe Cc9 dargestellt wurden sind a = 4,689 Å, b = 3,420 Å, c = 5,130 Å und β = 99,57°38,39. Peaks wurden bei 2Ɵ-Werten von 18,01°, 28,9°, 31,0°, 32,3°, 36,1°, 44,4°, 58,5° und 63,2° beobachtet, die den Beugungsebenen von (101), (112), (200), (103) entsprechen ), (211), (220), (321) bzw. (116) und diese Peaks stimmten mit dem tetragonalen System mit der raumzentrierten Gitterstruktur des Mn3O4-Nanomaterials überein, und die Daten passten am besten zur zuvor veröffentlichten JCPDS-Datei Nummer 89–483740,41. Mit der Raumgruppe I41/amd [141] betragen die Zellparameter des tetragonalen Mn3O4 a = 5,763 Å und c = 9,456 Å42. In Abb. 3b ist das XRD-Muster des Basismaterials des Nanokomposits, d. h. reines CeO2, für die beste Übereinstimmung der Peaks im endgültigen Nanokomposit CuO/Mn3O4/CeO2 dargestellt, wobei die Peaks gut mit den 2Ɵ-Werten von 28,54 übereinstimmen °, 33,08°, 47,48°, 56,34°, 69,42°, 76,70° und 88,43°, und sie könnten den CeO2-Kristallebenen bei (111), (200), (220), (311), (400) zugeschrieben werden ), (331) bzw. (422), passend zu JCPDS 65–2975. JCPDS 65–2975 schlug die flächenzentrierte kubische Gitterstruktur von CeO2-Nanopartikeln mit den Zellparametern a = b = c = 5,411 und α = β = γ = 90° vor. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Kristallinität des hergestellten Materials 91,04 % und die durchschnittliche Kristallitgröße 5,69 nm betrug.

PXRD-Spektren von (a) CuO/Mn3O4/CeO2-Heterostruktur und (b) makellosem CeO2.

Die Debye-Scherrer-Gleichung (Gleichung 3) wurde verwendet, um die durchschnittliche Kristallitgröße der hergestellten Nanopartikel zu bestimmen43,44. D ist die Kristallitgröße (nm), λ (Wellenlänge der CuK-Strahlung) = 1,54056 A, k (Formfaktor) = 0,89, β (Halbwertsbreite des einzelnen Peaks) und θ ist der Bragg-Beugungswinkel.

Die TEM-Methode (Transmission Electron Spectroscopy) wurde verwendet, um die morphologischen Merkmale des entwickelten Nanohybrids zu untersuchen und weitere Informationen über seine Struktur zu sammeln (Abb. 4a–c)). Die in Abb. 4a gezeigte Transmissionselektronenmikroskopie zeigte Bilder dispergierter Nanopartikel aus CeO2, CuO und Mn3O4 in Wechselwirkung miteinander. Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Nanopartikel tatsächlich Heteroübergänge an Grenzflächen gebildet haben. Die Nanopartikel konnten anhand des Abstands der Gitterränder, die dort in von HRTEM erstellten Mikroaufnahmen sichtbar waren, genau identifiziert werden (Abb. 4d). Die drei unterschiedlichen Gitterränder hatten Abstände zwischen den Ebenen von 0,321 nm, 0,248 nm bzw. 0,232 nm für CeO2-, Mn3O4- und CuO-Nanopartikel. Diese interplanaren Abstände könnten mit der (111)-Facette der CeO2-Phase (JCPDS 65–2975)45, der (211)-Kristallebene der Mn3O4-Phase (JCPDS 89–4837)46 und der (111)-Facette der Phase zusammenhängen CuO-Phase (JCPDS 89–5899)47. Das Vorhandensein konzentrischer Ringe in den SAED-Mustern (Abb. 4e) deutete auf die polykristalline Natur des Materials hin48. Die Netzebenen aller drei Phasen wurden korrekt lokalisiert und markiert. Durch Auftragen des Histogramms wurde ermittelt, dass die durchschnittliche Größe der Partikel im endgültigen Nanokomposit 24,8 nm betrug (Abb. 4f).

(a–c) TEM-Bilder der CMCu-Heterostruktur bei (a) 100 nm, (b) 50 nm, (c) 10 nm, (d) HRTEM-Bild der CMCu-Heterostruktur bei 2 nm, (e) SAED-Muster der CMCu-Heterostruktur, und (f) Histogramm der CMCu-Heterostruktur zur Berechnung der durchschnittlichen Partikelgröße.

Die EDAX-Analyse von drei verschiedenen ausgewählten Bereichen (Abb. 5) des CuO/Mn3O4/CeO2-Nanokomposits wurde durchgeführt, um Informationen über die vorhandenen Elemente und deren Verhältnisse im synthetisierten Nanokomposit CMCu zu sammeln. Das EDAX-Spektrum aller drei ausgewählten Bereiche zeigte Signale, die Ce, Cu, Mn und O entsprachen. Die Peaks, die bei etwa 4,8 keV, 8,0 keV, 5,9 keV und 0,5 keV erscheinen, könnten mit Ce, Cu, Mn usw. in Zusammenhang stehen O, und alle diese Peaks stimmen mit den Emissionen der K-Serie überein, mit Ausnahme des Ce-Peaks, der mit den Emissionen der L-Serie übereinstimmt. Tabelle 1 listet die Atomprozentsätze dieser Elemente auf, was darauf hindeutet, dass eine erfolgreiche Synthese von CeO2-, CuO- und Mn3O4-Nanomaterialien mit starker physikalischer Kohärenz zwischen den einzelnen Einheiten vorliegt. Darüber hinaus deuten die Atomprozentsätze auf den möglichen Einschluss von CeO2, CuO und Mn3O4 in den Nanokompositen in einem Verhältnis von etwa 1:1:1 hin. Darüber hinaus war das Fehlen von Kontaminationssignalen (unerwünschten Peaks) im EDAX-Spektrum einigermaßen kompatibel mit dem klaren XRD-Muster, das für das endgültige Nanokomposit erzeugt wurde. Die Existenz von Ce, Cu, Mn und O im endgültigen Nanokomposit wurde erneut durch Elementkartierung bestätigt, die in Abb. 6 zu sehen ist.

EDAX-Spektrum von drei ausgewählten CMCu-Bereichen.

Elementkartierung von CMCu.

Das UV-Vis-Absorptionsspektrum (Abb. 7a) von CMCu, CeO2, Mn3O4 und CuO wurde gemessen, um die optischen Eigenschaften dieser Materialien bewerten zu können. Es wurde beobachtet, dass CeO2 in seiner ursprünglichen Form die höchste Absorption bei einer Wellenlänge von weniger als ~ 345 nm aufweist. Das Absorptionsspektrum von Mn3O4 zeigte einen Buckel, der bei etwa ~ 435 nm zentriert war, während die höchste Absorption von reinem CuO bei ~ 367 nm aufgezeichnet wurde. In ähnlicher Weise reagierte CMCu im gesamten sichtbaren Spektrum, wobei die höchste Absorption bei einer Wellenlänge von ~ 380 nm auftrat. Darüber hinaus wurden die Tauc-Diagramme von CMCu mit reinen Metalloxiden aufgezeichnet und in Abb. 7a eingefügt, um ihre entsprechenden direkten Energiebandlücken zu bestimmen. Dies deutete darauf hin, dass reine CeO2-Nanomaterialien, Mn3O4-Nanomaterialien und CuO-Nanomaterialien Energiebandlücken von ~ 3,27 eV aufwiesen , ~ 2,21 eV bzw. ~ 1,79 eV. Die Bandlücke des endgültigen Nanohybrid-CMCu betrug etwa ~ 2,44 eV. Die „Rotverschiebung“ der Absorptionskanten der Nanokomposite, die auftrat, während der CMCu (ternärer Photokatalysator) die höchste Verschiebung erfuhr, lieferte eine zusätzliche Bestätigung für die Entstehung integrierter Photokatalysatoren mit starken Grenzflächenkontakten. Eine plausible Orbitalvermischung in den Valenzschalen von Ce-, Cu- und Mn-Spezies konnte ebenfalls vorhergesagt werden, was zur Bildung eines Leitungsbandes (CB) bei niedrigerer Energie in den Nanokompositen führt, was im Experiment gezeigt wurde49.

(a) UV-Absorptionsspektrum mit Diagrammen der Energiebandlücke ihres Insekts Tauc von Proben unterschiedlicher Nanogröße mit CuO/Mn3O4/CeO2-Heterostruktur bei (b–d) Photolumineszenzdiagrammen verschiedener Proben für vergleichende Untersuchungen.

Die Hauptursache für Photolumineszenzspektren (PL) in einem Halbleitermaterial ist der elektronische Abwärtsübergang vom Leitungsband (CB) zum Valenzband (VB), und die Intensität der PL-Spektren kann als Maß für die Geschwindigkeit verwendet werden Rekombination von Elektron-Loch-Paaren. Daher wurden die binären und endgültigen Nanokomposite zusammen mit den unverfälschten, makellosen Proben bewertet. Die PL-Spektren von CeO2 wurden durch Anregung des Materials bei 345 nm und bei derselben Wellenlänge aufgenommen. CeO2/CuO, Mn3O4/CeO2 und CMCu wurden ebenfalls angeregt, und die Spektren dieser vier Systeme wurden verglichen (Abb. 7b). . Während Emissionen, die bei ~ 450 nm auftraten, möglicherweise mit Sauerstoffdefekten zusammenhängen50, könnte das PL-Emissionssignal bei 370 nm auf eine „Exziton-Exziton-Kollision“51 zurückzuführen sein. Diese PL-Emissionen zeigten geringere Intensitäten in den binären Metalloxid-Nanohybriden und die geringste Intensität im CMCu (ternäres Nanohybrid). In ähnlicher Weise wurden die Spektren von CuO, CeO2/CuO und CMCu nach Anregung bei einer Wellenlänge von 367 nm erhalten (Abb. 7c). Der allererste Emissionspeak in den CuO-PL-Emissionsspektren, der bei etwa 397 nm liegt, könnte der „strahlenden Exzitonenvernichtung“ zugeschrieben werden, und einige andere Lichthöcker, die sich bei höheren Wellenlängen befinden, könnten das Ergebnis von Defektniveaus in der sein Metalloxide52. Auch hier wurde beobachtet, dass die Emissionsintensitäten von Nanohybriden deutlich verringert waren, wohingegen das ternäre Nanokomposit CMCu die geringste Emissionsintensität gezeigt hatte. Um einen Vergleich mit Mn3O4 herzustellen, wurden Mn3O4/CeO2 und CMCu bei 435 nm stimuliert (Abb. 7d)53. Die Strahlungsrekombination war in der unberührten Probe am stärksten, nahm dann in den binären Nanokompositen ab und erreichte schließlich ihren niedrigsten Punkt im CMCu-Nanokomposit. Nach all diesen Erkenntnissen scheint es, dass die endgültigen ternären Nanokomposite in der Lage sein könnten, eine signifikante Trennung zwischen den photogenerierten Elektronen-Loch-Paaren zu erreichen.

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Vermessungsspektren von CuO/Mn3O4/CeO2 (Abb. 8a) zeigten Signale, die Cu, Mn, Ce und O zugeordnet werden können. Die Peaks wurden im XPS bei 932,34 eV und 952,09 eV identifiziert Spektren von Cu 2p, wie in Abb. 8b gezeigt, abgestimmt auf Cu 2p3/2 und Cu 2p1/2 mit der Existenz von zwei markanten Satellitensignalen bei 944,86 eV und 944,58 eV, bestätigten die Existenz von Cu+2 im CMCu54,55. Die Spektren von Mn 2p zeigen die Peaks aufgrund der „Spin-Bahn-Aufspaltung“ bei 641,45 eV und 653,21 eV, die Mn 2p3/2 bzw. Mn 2p1/2 ähneln, wie in Abb. 8c dargestellt. 56. Der Energieunterschied zwischen Sie von 11,76 eV bestätigten die Bildung der Mn3O4-Phase im Nanokomposit weiter. Sowohl Mn 2p3/2- als auch Mn 2p1/2-Signale wurden in vier verschiedene Signale bei ~ 641,45 eV, 653,21 eV, 643,38 eV und 657,05 eV entfaltet, entsprechend Mn (III) 2p3/2, Mn (III) 2p1/2, Mn (II) 2p3/2 und Mn (II) 2p1/257. Die mit Ce1, Ce2, Ce3, Ce4 und Ce5 bezeichneten Banden mit CeI, CeII, CeIII und CeIV in den hochauflösenden XPS-Spektren von Ce3d weisen auf Satelliteneigenschaften hin, die aus den entsprechenden Ce3d5/2- und Ce3d3/2-Zuständen hervorgehen58. Die Hauptspitzen bei Ce3 (884,8 eV), Ce4 (888,6 eV), Ce5 (898,2 eV) und CeIII (901,6 eV), Ce1V (907,2 eV) weisen ebenfalls auf elektronische Zustände von Ce4+ hin. Der Nachweis von Spitzen an den als Ce1, Ce2 und CeI, CeII bezeichneten Stellen lieferte schlüssige Beweise für die Existenz elektronischer Ce3+-Zustände. Infolgedessen bestehen die Ce3d-Spektren aus einer Kombination von Ce-Ionen mit den Ladungszuständen +3 und +4 (Abb. 8d). Die XPS-Spektren von O1s zeigen ein Signal bei 529,5 eV, das der Ce-O-Bindung in der CeO2-Einheit zugeschrieben werden kann59. Der Peak bei 532,06 eV ist höchstwahrscheinlich auf unterschiedliche Sauerstoffleerstellen und oberflächenadsorbierte Sauerstoffspezies zurückzuführen (Abb. 8e)60,61. Die geringfügigen Schwankungen der Werte der Metalloxid-Bindungsenergien (BE) im Vergleich zu den in früheren Forschungsarbeiten veröffentlichten Werten zeigten die „Grenzflächenwechselwirkungen“ zwischen den verschiedenen Einheiten (Metalloxiden) und bestätigten so, dass das geplante verknüpfte Photokatalysatorsystem erfolgreich hergestellt wurde.

(a) XPS-Vermessungsspektrum der CuO/Mn3O4/CeO2-Heterostruktur, XPS-Spektrum von (b) Cu2p, (c) Mn2p, (d) Ce3d und (e) O1s zur Untersuchung des elektronischen Zustands in der CuO/Mn3O4/CeO2-Heterostruktur.

Um den unnötigen Einsatz des entwickelten Photokatalysators CMCu zu verhindern, war es notwendig, ein Screening durchzuführen, um dessen ideale Beladungsmenge zu ermitteln. Dadurch konnte der entwickelte Photokatalysator sein volles Potenzial ausschöpfen und den höchstmöglichen Wirkungsgrad erreichen. Abbildung 9a zeigt die Geschwindigkeit des Photoabbaus von Malachitgrün, der in Gegenwart unterschiedlicher Dosierungen des Nanokomposits CMCu bei einem anfänglichen pH-Wert von 7 auftritt, und es wurde eine 50-ml-Lösung mit 50 mgL-1 Malachitgrün verwendet. Die Katalysatoraufnahme wurde im Bereich von 0,04–0,24 gL−1 variiert, so dass die optimale Menge des entwickelten Photokatalysators bestimmt werden konnte, die für den Abbau von Malachitgrün erforderlich ist. Eine Dosiskonzentration von 0,16 gL−1 CMCu ergab die höchste Photoabbaueffizienz von Malachitgrün, und darüber hinaus gab es einen leichten Effizienzabfall. Auch wenn ein weiterer Einsatz des Photokatalysators das Hinzufügen von noch mehr „aktiven Stellen“ zu seiner Oberfläche bedeuten würde, gibt es eine erhebliche „Lösungstrübung“, die dazu führt, dass die photokatalytische Effizienz abnimmt. Bei 0,16 gL−1 Photokatalysatordosis für 50 mgL−1 Malachitgrünfarbstoffkonzentration erreichte die Geschwindigkeitskonstante ihren höchsten Wert von 0,0599 min−1 (mit R2 = 0,99603) (Abb. 9b und Tabelle 2) und mit dem Photoabbau Wirkungsgrad von 97,12 %.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm zur Optimierung der CMCu-Photokatalysatordosis.

Die Studien wurden unter Verwendung der optimalen Katalysatordosis, d. h. 0,16 gL-1, und bei einem pH-Wert von 7 mit unterschiedlichen Konzentrationen des Malachitgrün-Farbstoffs (25–125 mgL-1) durchgeführt, um zu bewerten, wie sich die anfängliche Konzentration des Farbstoffs auf die Photoabbauaktivität auswirkt des Katalysators CMCu. Bei einer Malachitgrün-Farbstoffkonzentration von 100 mgL-1 wurde die maximale Effizienz des MG-Farbstoffabbaus beobachtet (Abb. 10a), die bei 98,06 % lag. Bei Farbstoffkonzentrationen über dem optimalen Wert wurde ein geringfügiger Rückgang der Effizienz des MG-Farbstoffabbaus festgestellt. Höhere MG-Farbstoffkonzentrationen könnten für die Verringerung der Photonenpfadlänge verantwortlich sein62. Darüber hinaus würden höhere Konzentrationen an MG-Farbstoff eine größere Oberfläche des CMCu-Photokatalysators für einen weiteren Photoabbau erfordern, was nur durch Zugabe einer zusätzlichen Menge an CMCu erreicht werden könnte, was zwangsläufig die Opazität der Lösung erhöhen würde63. Um die höchste Ausbeute an Photoabbau zu erzielen, wurde die MG-Farbstoffdosierung optimiert. Bei der optimalen Konzentration des MG-Farbstoffs wurde die Größe der Geschwindigkeitskonstanten aufgezeichnet, die 0,07259 min−1 mit R2 = 0,99357 betrug (Abb. 10b und Tabelle 3).

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm zur Optimierung der MG-Farbstoffkonzentration.

Der Einfluss des pH-Werts auf den Photoabbau der wässrigen MG-Farbstofflösung unter Verwendung eines CMCu-Photokatalysators wurde untersucht. In diesem Zusammenhang wurde die Dosis des Photokatalysators während der gesamten Studien konstant bei 0,16 gL-1 und die MG-Farbstoffkonzentration konstant bei 100 mgL-1 gehalten. Andererseits wurde der anfängliche pH-Wert der Farbstofflösung durch Zugabe der entsprechenden Menge konzentrierter HCl- und NaOH-Lösungen auf einen Wert im Bereich von 4 bis 10 eingestellt. Bis pH > 7 wurde ein leichter Anstieg der Photoabbaueffizienz beobachtet, während bei pH < 7 ein leichter Abfall beobachtet wurde (Abb. 11a). Mithilfe der Massentitrationsmethode wurde ermittelt, dass der pHZPC (Point of Zero Charges) des Photokatalysators bei ca. 1 liegt. 6.4. Daher könnte eine hohe Konzentration an Hydroxidionen auf der Oberfläche des Photokatalysators erzeugt werden, wenn der pH-Wert der Lösung über den Wert von pHZPC64 ansteigt. In einer Umgebung mit einem höheren pH-Wert könnte die Ansammlung von Hydroxidionen auf der Oberfläche des Photokatalysators dazu führen, dass der Katalysator die elektronenarmen kationischen MG-Farbstoffmoleküle anzieht, während bei einem pH-Wert unter pHZPC der Photoabbau des MG-Farbstoffs aufgrund der abnimmt Akkumulation einer H+-Ionenkonzentration über der Katalysatoroberfläche, die die kationischen MG-Farbstoffmoleküle abstößt1. Wie aus der Kinetik pseudo-erster Ordnung hervorgeht (Abb. 11b), erreichte die Geschwindigkeitskonstante ihren höchsten Wert bei einem pH-Wert von 10, nämlich 0,07295 min−1 (Tabelle 4).

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm für den MG-Farbstoffabbau in verschiedenen pH-Umgebungen.

Der Einfluss der LED-Belichtungszeit wurde untersucht, indem die Abbauleistung im Laufe der Zeit in verschiedenen Intervallen überwacht wurde, während die verschiedenen optimalen Parameter der Photokatalysatordosis, der anfänglichen Farbstoffkonzentration und des pH-Werts eingehalten wurden. Die in dieser Studie verwendete Photokatalysator-CMCu-Beladung betrug 0,16 gL-1, mit einer anfänglichen MG-Farbstoffkonzentration von 100 mgL-1 und einem pH-Wert > 7. Nach 60 Minuten wurde der maximale MG-Farbstoff-Photoabbau von 98,98 % aufgezeichnet (Abb. 12a, B). Die Kinetik für die Kontaktzeit ist ebenfalls in Abb. 12c dargestellt, was zu einem Geschwindigkeitskonstantenwert von 0,07352 min−1 mit R2 = 0,9956 führt. Nach 60 Minuten wurde die lichtgetriebene Photoabbaureaktion gestoppt, da die aktiven Stellen des Photokatalysators fast erschöpft waren.

(a) Kontaktzeit-Abbauprofil, (b) Abbauprofil und (c) Kinetikdiagramm für den MG-Farbstoffabbau in einem anderen Zeitintervall.

Der entwickelte Heterostruktur-Photokatalysator wurde zurückgewonnen und es wurde festgestellt, dass er bis zu vier Läufe hintereinander verwendet werden konnte (Abb. 13a, b). Der gewonnene Katalysator wurde mittels Zentrifugation bei 1000 U/min abgetrennt. Danach wurde es viele Male mit destilliertem Wasser und Ethanol gereinigt, bevor es 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 90 °C getrocknet wurde. Der aufbereitete Photokatalysator wurde im anschließenden Versuchsdurchgang erneut verwendet. Sowohl die Abbaueffizienz als auch die Geschwindigkeitskonstante pseudo-erster Ordnung zeigten einen leichten Rückgang (Tabelle 5), was durch die Tatsache erklärt werden konnte, dass die gekoppelte Photokatalysatoreinheit etwas verschoben worden war. Darüber hinaus zeigten die XRD-Daten, die für den regenerierten Photokatalysator erstellt wurden, dass die typischen kristallographischen Ebenen, die vor der Verwendung in CuO/Mn3O4/CeO2 vorhanden waren, auch im regenerierten Photokatalysatormaterial vorhanden waren (Abb. 14a). Dies zeigte, dass der entwickelte Photokatalysator eine hohe Gesamtbeständigkeit aufweist. Darüber hinaus wurde es durch die Ergebnisse der EDAX-Spektren des regenerierten Photokatalysators (Abb. 14b) weiter validiert, die nur sehr geringe Abweichungen von den Informationen zeigten, die vor der Verwendung für den Photokatalysator ermittelt wurden. Diese Beobachtungen zeigten, dass der entwickelte ternäre nanoskalige Verbundwerkstoff stabil war, was auf eine starke Grenzflächenkopplung zwischen den Komponenten hinwies, und sie lieferten einen guten Beweis für die geringe Auswaschung von Metallionen während der photokatalytischen Aktivität. Die Synthesemethode, die zur Entwicklung der hierarchischen Nanostruktur verwendet wurde, könnte ein Faktor für das Erreichen einer hervorragenden Elementkompatibilität mit ausgezeichneter Dispersionsqualität des Photokatalysators CMCu gewesen sein, wie durch EDAX, Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen, optische Daten und Röntgenphotoelektronenspektrum belegt Dies führte zu einer Verringerung der Anreicherung eines bestimmten Metalloxids im ternären Photokatalysator CMCu. Darüber hinaus wird in einigen Artikeln darauf hingewiesen, dass Halbleiter mit einem hierarchischen Nanostruktursystem eine bessere Akkumulationsbeständigkeit aufweisen65. Dadurch wird es durch das hierarchische Design schwieriger, dass Metallionen aus Aggregaten herausgelöst werden, was durch Akkumulation verursacht wird.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm von bis zu vier Zyklen wiederverwendetem Photokatalysator für den MG-Farbstoffabbau.

(a) PXRD- und (b) EDAX-Spektrum des Photokatalysators CuO/Mn3O4/CeO2 nach dem Durchlauf des vierten Zyklus für den MG-Farbstoffabbau.

Die Photolyse führte zusammen mit dem unberührten CeO2-Nanomaterial kaum zu einer nennenswerten photokatalytischen Aktivität (Abb. 15a, b). CuO/Mn3O4/CeO2 zeigte eine photokatalytische Abbaueffizienz von 98,98 ± 1,5 % innerhalb von 60 Minuten, während Mn3O4/CeO2 und CuO/CeO2, Mn3O4 und CuO photokatalytische Abbaueffizienzen von 62,61 %, 51,42 %, 37,64 % und 32,16 % erreichen konnten. bei gleicher Zeitdauer und identischen Umständen (Abb. 15a, b). Während des photokatalytischen Abbaus über CuO/Mn3O4/CeO2 wurde eine außergewöhnliche Geschwindigkeitskonstante von 0,07295 min−1 aufgezeichnet. In Bezug auf den Prozentsatz des photokatalytischen Abbaus erzielte das ternäre Nanokomposit eine 1,58-fach höhere Leistung als die Mn3O4/CeO2-Kombination und eine 1,92-fach höhere Leistung als die CuO/CeO2-Kombination. Darüber hinaus erwies sich der ternäre Photokatalysator als erstaunlich wirksamer als CuO-Gd2Ti2O7, das 90 Minuten benötigte, um 88,60 % des Abbaus des Malachitgrünfarbstoffs mit einer Geschwindigkeitskonstante von 0,0198 Minuten zu bewirken –166 und das blütenartige SnO2/ZnO-Komposit, das 150 Minuten benötigte für 98 % des Malachitgrün-Farbstoffabbaus mit einer Geschwindigkeitskonstante von 0,00168 min−167. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen der Photoabbauleistung des neu synthetisierten Photokatalysators und der der in der Vergangenheit beschriebenen Katalysatoren.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm zur vergleichenden Untersuchung verschiedener Proben des Katalysators mit dem Photokatalysator CMCu für den MG-Farbstoffabbau.

Es wurden photokatalytische Abbaustudien mit Quenchern durchgeführt, um die wichtigen Eigenschaften verschiedener reaktiver Spezies wie \({\mathrm{O}}_{2}^{2-}\), ·OH, e − und h+ zu bewerten zum Photoabbau des MG-Farbstoffs. Zum Abfangen von \({\mathrm{O}}_{2}^{2-}\), ·OH, e − und h+ sind die entsprechenden Fänger (Einfangmittel) TEMPOL (4-Hydroxy-2,2) erforderlich , 6,6-Tetramethylpiperidinyloxy), C7H6O2 (Benzoesäure), K2S2O8 (Kaliumpersulfat) bzw. AgNO3 (Silbernitrat) verwendet. Der Photoabbau erfuhr eine offensichtliche Verzögerung in der Nähe von TEMPOL68 und BA69 (Abb. 16a, b) und ging mit einem Rückgang der Effizienz einher, der von 98,98 % mit CuO/Mn3O4/CeO2-Photokatalysator auf 16,42 % und 34,28 % anstieg. jeweils. Interessanterweise war der Rückgang der Photoabbaueffizienz nicht so signifikant, wenn K2S2O870 und AgNO371 vorhanden waren. Basierend auf den oben genannten Informationen spielen wahrscheinlich reaktive Sauerstoffspezies (ROS), \({\mathrm{O}}_{2}^{2-}\) und ·OH eine wesentliche Rolle beim Photoabbau des Malachitgrünfarbstoffs Radikale72,73.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm für das Scavenger-Experiment zum MG-Farbstoffabbau mit dem Photokatalysator CMCu.

Die spektakuläre Photoabbaueffizienz der hergestellten Nano-Heterostruktur als Photokatalysator lieferte einen effizienten Nachweis der photokatalytischen Aktivität des integrierten Photokatalysators. Darüber hinaus zeigten die PL-Ergebnisse deutlich die Trennung fotoinduzierter Elektron-Loch-Paare. Darüber hinaus zeigte der nanoskalige Photokatalysator eine bis zum vierten Zyklus recht konstante Effizienz. Die obigen Beobachtungen lassen daher darauf schließen, dass es zu starken Grenzflächenreaktionen zwischen den beteiligten Komponenten kommt. Der plausible Mechanismus der CuO/Mn3O4/CeO2-Photokatalyse ist in Abb. 17 dargestellt. Bezogen auf eine Normalwasserstoffelektrode (NHE) liegt der Potentialkantenwert des CB (Leitungsband) für CuO bei − 1,07 eV74, während für Mn3O4 liegt bei −0,80 eV75 und CeO2 hat ein CB-Kantenpotential bei −0,57 eV76. CB von CuO hat immer einen größeren negativen Kantenpotentialwert als der CB-Kantenpotentialwert von Mn3O4, das als Reaktion darauf einen größeren negativen CB-Kantenpotentialwert als CeO2 hat. Folglich werden als Reaktion auf die Photonenabsorption von der Quelle des sichtbaren Lichts Elektronen (e−) vom VB (Valenzband) von CuO in Richtung seines eigenen CB bewegt. Diese Elektronen werden dann in Richtung des Leitungsbandes des Halbleiters Mn3O4 bewegt Anschließend konzentrieren sie sich auf das Leitungsband des Nanomaterials CeO2. Gleichzeitig folgen Löcher (h+) der entgegengesetzten Bewegung vom Valenzband von CeO2 zum Valenzband des Halbleiters Mn3O4, mit einer weiteren Bewegung in Richtung des Valenzbands des Halbleiters CuO. Anschließend interagierten die im Leitungsband von CeO2 konzentrierten Elektronen mit den Sauerstoffmolekülen (O2), die über der Oberfläche des Reaktionssystems adsorbiert waren, was zur Erzeugung von Superoxidanionenradikalen (. O2−) führte. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Potentialkantenwert von CB von CeO2 niedriger ist als das typische Reduktionspotential von O2/.O2-, das − 0,33 eV77 beträgt. Die Löcher hingegen erzeugten Hydroxylradikale (·OH), indem sie mit Wassermolekülen (H2O) reagierten. Es ist möglich, dass die unten angegebenen Wege zur Bildung von ·OH-Radikalen führen. Die folgenden Gleichungen 4–13 liefern die beste Beschreibung des synergistischen Effekts, der zwischen den verschiedenen Komponenten des integrierten Photokatalysators besteht und letztendlich zu den überlegenen photokatalytischen Aktivitäten des integrierten Photokatalysators führt22, 78,79,80

(a) Schematische Darstellung des plausiblen Mechanismus für den Photoabbau des Malachitgrün-Farbstoffs unter Verwendung der entworfenen Heterostruktur CuO/Mn3O4/CeO2.

Derzeit mangelt es an Wissen darüber, wie anorganische Ionen die Photoabbaueffizienz von Umweltschadstoffen beeinflussen. Angesichts der potenziellen praktischen Anwendungen untersuchte diese Arbeit auch den Einfluss anorganischer Ionen auf den Photoabbau von MG. Leider ist der photokatalytische Abbau derzeit aufgrund der komplexen Auswirkungen koexistierender anorganischer Ionen hinsichtlich seiner praktischen Anwendbarkeit eingeschränkt81. Beispielsweise sind im Wasser mehrere anorganische Ionen wie Carbonat-, Chlorid-, Fluorid-, Calcium-, Aluminium- und Natriumionen vorhanden. Daher ist es wichtig, die Wirkung dieser Ionen auf die photokatalytische Aktivität des vorbereiteten Materials für seine praktische Anwendung als Photokatalysator zu untersuchen.

Um die Wirkung dieser Ionen zu untersuchen, werden 0,1 M Na2SO4, CaSO4, Al2(SO4)3, NaF, NaCl und Na2CO3 unter optimalen Bedingungen in die Reaktionsmischung gegeben, bevor die Lösung bestrahlt wird. Es ist bekannt, dass die Kationen Na+, Ca2+ und Al3+ in ihren stabilen Oxidationsstufen einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Photokatalyse haben82. Wie in den Abb. dargestellt. 18a, b wird der Abbau von MG in Gegenwart dieser Kationen unterschiedlich stark gehemmt. Dieser Rückgang der photokatalytischen Aktivität könnte auf das Vorhandensein von Sulfatanionen in den Salzen zurückzuführen sein. Allerdings hemmte Al3+ den Abbau von MG aufgrund seiner höheren Ladungsdichte und der Tendenz zur Adsorption auf der Oberfläche des Photokatalysators83. Aluminiumionen blockierten die aktiven Stellen auf der Oberfläche und hemmten dadurch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Es wurde festgestellt, dass Ca2+ den Abbauprozess etwas stärker verlangsamt als Na+-Ionen.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm in einer Umgebung ausgewählter Kationen und (c) Abbauprofil und (d) Kinetikdiagramm in einer Umgebung ausgewählter Anionen für den MG-Farbstoffabbau unter Verwendung des Photokatalysators CMCu.

Das Abwasser enthält außerdem eine Reihe anorganischer Anionen, von denen bekannt ist, dass sie die photogenerierte ROS behindern und die vollständige Entfernung organischer Verunreinigungen beeinflussen. Wie in den Abb. dargestellt. 18c, d wird die Abbaueffizienz in Gegenwart von Anionen deutlich beeinträchtigt. Der negative Effekt dieser Anionen auf den Abbau von MG folgt der Reihenfolge CO32− > Cl− > F−. Dieser Rückgang könnte auf zwei Hauptgründe zurückzuführen sein: erstens auf die Blockierung aktiver Stellen des Photokatalysators, die die Bildung von ROS hemmen, und zweitens auf die Löschwirkung dieser Anionen.

Es ist aus den Abbildungen ersichtlich. 18a, b Die Chloridionen g hemmten den Abbau von MG aufgrund ihrer starken Affinität zu den Löchern und Hydroxylradikalen84. Dieser Löscheffekt von Cl− war der Hauptgrund für die Unterdrückung der Abbaueffizienz, wie unten dargestellt (Gl. 14–16) 85:

Nach der Adsorption auf der Oberfläche des Photokatalysators interagieren die Chloridionen mit den Löchern und Hydroxylradikalen und bilden die freien Radikale \({\text{Cl}}^{ \cdot }\), die weiter in Cl−-Ionen umgewandelt werden bei der Reaktion mit den Elektronen 86. Darüber hinaus sind Chloridionen resistent gegen Oxidation, was sie zu guten Inhibitoren der Photoabbaureaktion macht.

Die Carbonationen sind vor allem für ihre Löschwirkung gegenüber Hydroxylradikalen gemäß der folgenden Gleichung bekannt. 1787 folgende Kinetik zweiter Ordnung:

Die so gebildeten freien Carbonatradikale könnten ebenfalls den Abbau von MG bewirken. Aufgrund ihres im Vergleich zu Hydroxylradikalen geringen Oxidationspotentials behinderten sie jedoch nur den Photoabbauprozess.

Die F−-Ionen sind äußerst stabil und bedecken aufgrund ihrer nichtoxidierbaren Natur und geringen Größe die Oberfläche des Photokatalysators und hemmen die Bildung von Hydroxylradikalen 88,89. Daher konnte bestätigt werden, dass Hydroxylradikale wichtige Spezies für den Abbau organischer Schadstoffe in Gegenwart von F−-Ionen sind 84.

Um den Photoabbauprozess für die tatsächliche Abwasserbehandlung weiter zu authentifizieren, wurde der Abbau von MG auch in drei verschiedenen Wasserproben untersucht. Mineralwasser, Seewasser und Leitungswasser haben einen pH-Wert von ~ 7,21, ~ 8,36 bzw. ~ 7,86 und werden verwendet, um die Wirkung von Wassermatrizen auf den Abbau von Malachitgrün zu untersuchen. Die Abbauprofile und Kinetiken für den Photoabbau von MG-Farbstoff in drei verschiedenen Wasserproben sind in Abb. 19a, b dargestellt. Alle Wasserproben zeigten eine signifikante Verzögerungswirkung auf den Abbau des MG-Farbstoffs. Mineralwasser, das sauberste unter allen, zeigte erwartungsgemäß eine beachtliche Abbaueffizienz von 62,36 %, was besser ist als die beiden anderen Proben. Seewasser enthält verschiedene andere gleichzeitig vorhandene Ionen und organische Verbindungen, die mit einem MG-Abbau von nur 14,28 % eine minimale Effizienz zeigten, während mit Leitungswasser ein Abbau von 36,12 % erreicht werden konnte. Lichtbrechung und das Vorhandensein verschiedener photokatalysehemmender anorganischer Ionen und organischer Moleküle in unterschiedlichem Ausmaß in den oben genannten Wassermatrizen sind zwei Hauptursachen für die allgemeine Abnahme der Photoabbauaktivität des Photokatalysators in diesen aquatischen Umgebungen. Dass der Photokatalysator in der früheren Matrix schlecht funktionierte, könnte auf den höheren Mineralstoffgehalt des Leitungswassers als Seewasser zurückzuführen sein.

(a) Abbauprofil und (b) Kinetikdiagramm für den Photoabbau der vorbereiteten MG-Farbstofflösung in verschiedenen Wasserproben unter Verwendung des Photokatalysators CMCu.

In dieser Studie wurde eine ternäre Nano-Heterostruktur CuO/Mn3O4/CeO2 als Photokatalysator mithilfe einfacher hydrothermischer Methoden entworfen und die photokatalytische Aktivität der entwickelten Nano-Heterostruktur gründlich untersucht. Zur Bestimmung der strukturellen, morphologischen, zusammengesetzten und optischen Eigenschaften wurden zahlreiche Charakterisierungs- und Analysemethoden eingesetzt. TEM-Bilder zeigten deutlich das Wachstum von CeO2-Nanopartikeln mit kubischer Gitterstruktur im Verbundwerkstoff. HRTEM-Bilder liefern weitere Einblicke in die erfolgreiche Herstellung des gewünschten ternären Heteroübergangs und die Kopplung von CuO- und Mn3O4-Nanopartikeln mit CeO2-Nanopartikeln. Die CMCu-Heterostruktur weist eine Bandlücke von 2,44 eV auf, die gemäß Taucs Diagramm unter Verwendung von UV-DRS-Daten bewertet wurde. Die robuste Bildung eines gestaffelten Typ-II-Heteroübergangs mit einer signifikanten Lücke zwischen lichtinduzierten Elektron-Loch-Paaren wurde durch PL-Untersuchungen weiter gestützt. Es wurde gezeigt, dass die Nanostruktur im UV-sichtbaren Bereich des Lichtspektrums photokatalytisch aktiv ist und innerhalb von 60 Minuten einen Photoabbau von 98,98 % des Malachitgrünfarbstoffs mit einem hervorragenden Geschwindigkeitskonstantenwert pseudo-erster Ordnung von erreichen konnte 0,07295 min−1. Darüber hinaus wurde der zurückgewonnene Photokatalysator wiederholt verwendet und zeigte bis zum vierten Durchgang einen Photoabbau des Malachitgrün-Farbstoffs von ~ 88,72 %. Scavenger-Experimente, anorganische Salzanalysen und Experimente in verschiedenen Wassermatrizen werden kurz besprochen, um die Spezies zu verstehen, die die Reaktion beeinflussen, indem sie die Reaktion unterstützen oder stören. Abschließend wird eine plausible mechanistische Erklärung diskutiert, um den Weg zu erklären, der beim Photoabbau von MG-Farbstoff unter Verwendung des CMCu-Photokatalysators verläuft.

Die Autoren erklären, dass alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel verfügbar sind.

Yunusa, U., Usman, B. & Ibrahim, MB Entfernung kationischer Farbstoffe aus Abwasser durch Adsorptionsmethode: Eine systematische, eingehende Übersicht. Alger. J. Chem. Ing. AJCE 1(2), 6–40 (2021).

Google Scholar

Saeed, M., Muneer, M., ul Haq, A. & Akram, N. Photokatalyse: Ein wirksames Werkzeug für den Photoabbau von Farbstoffen – eine Übersicht. Umgebung. Wissenschaft. Umweltverschmutzung. Res. 29(1), 293–311. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16389-7 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Uddin, MT, Islam, MA, Mahmud, S. & Rukanuzzaman, M. Adsorptive Entfernung von Methylenblau durch Teeabfälle. J. Hazard. Mater. 164(1), 53–60 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Rafatullah, M., Sulaiman, O., Hashim, R. & Ahmad, A. Adsorption von Methylenblau auf kostengünstigen Adsorbentien: Eine Übersicht. J. Hazard. Mater. 177(1–3), 70–80 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gupta, SV & Ahmaruzzaman, M. CeO2/Fe3O4/g-C3N4-Nanohybrid zur adsorbierenden Entfernung von Bengalrosa aus wässrigen Strömen. Int. J. Umgebung. Anal. Chem. https://doi.org/10.1080/03067319.2022.2039649 (2022).

Artikel Google Scholar

Velusamy, S., Roy, A., Sundaram, S. & Kumar Mallick, T. Ein Überblick über die Entfernung von Schwermetallionen und enthaltenden Farbstoffen durch Adsorptionsstrategien auf Graphenoxidbasis für die Textilabwasserbehandlung. Chem. Empf. 21(7), 1570–1610 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sarojini, G., Babu, SV, Rajamohan, N. & Rajasimman, M. Leistungsbewertung von Bionanokompositen auf Polymer-Marine-Biomasse-Basis für die adsorptive Entfernung von Malachitgrün aus synthetischem Abwasser. Umgebung. Res. 204, 112132 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Vigneshwaran, S., Sirajudheen, P., Karthikeyan, P. & Meenakshi, S. Herstellung von schwefeldotierter Biokohle aus Tapiokaschalenabfällen mit überlegener Adsorptionsleistung zur Entfernung von Malachitgrün- und Rhodamin-B-Farbstoffen. Surfen. Schnittstellen 23, 100920 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tsai, C.-Y. et al. Entwickelte mesoporöse Biokohle aus Reisschalen zur effizienten Entfernung von Malachitgrün aus Abwässern. Bioresour. Technol. 347, 126749 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ahmed, MK, Shalan, AE, Afifi, M., El-Desoky, MM und Lanceros-Méndez, S. Mit Silber dotierte Cadmiumselenid/Graphenoxid-gefüllte Celluloseacetat-Nanokomposite für den photokatalytischen Abbau von Malachitgrün zur Abwasserbehandlung. ACS Omega 6(36), 23129–23138 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Varma, KS et al. Photokatalytischer Abbau von Pharma- und Pestizidverbindungen (PPCs) unter Verwendung dotierter TiO2-Nanomaterialien: Ein Überblick. Wasser-Energie-Nexus 3, 46–61 (2020).

Artikel Google Scholar

da Silva, SW et al. Fortgeschrittene elektrochemische Oxidationsprozesse bei der Behandlung von pharmazeutischem Wasser und Abwasser: Ein Überblick. Curr. Umweltverschmutzung. Berichte 7(2), 146–159 (2021).

Artikel Google Scholar

Zhou, H. et al. Z-Schema-plasmonische Ag-dekorierte WO3/Bi2WO6-Hybride für eine verbesserte photokatalytische Reduzierung chlorierter VOCs unter Sonneneinstrahlung. Appl. Katal. B Umgebung. 242, 76–84 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MM et al. Elektrochemisch aktive Biofilm-unterstützte Synthese von Ag@CeO2-Nanokompositen für antimikrobielle Aktivität, Photokatalyse und Photoelektroden. J. Colloid Interface Sci. 431, 255–263 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Zou, X. et al. Kobaltmonoxid/Wolframtrioxid pn-Heteroübergang zur Verstärkung der Ladungstrennung für einen effizienten, durch sichtbares Licht gesteuerten gasförmigen Toluolabbau. Chem. Ing. J. 400, 125919 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, S. et al. Bimetallische Fe/In-Metall-organische Gerüste steigern den Ladungstransfer zur Verbesserung des Schadstoffabbaus im Abwasser. Appl. Surfen. Wissenschaft. 528, 147053 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Arman, NZ et al. Ein Überblick über neu auftretende Schadstoffe in der Wasserumgebung: Vorkommen, gesundheitliche Auswirkungen und Behandlungsprozesse. Wasser 13(22), 3258 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, J. et al. So schaffen Sie eine mikroplastikfreie Umwelt: Strategien für den Mikroplastikabbau und das Kunststoffrecycling. Adv. Wissenschaft. 9(6), 2103764 (2022).

Artikel MathSciNet Google Scholar

Ali, SR, Kumar, R., Kalam, A., Al-Sehemi, AG & Arya, MC Wirkung der Strontiumdotierung auf die Bandlücke von CeO2-Nanopartikeln, die durch einfache Co-Präzipitation synthetisiert wurden. Araber. J. Sci. Ing. 44(7), 6295–6302 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bazhukova, IN et al. Lumineszenz und optische Eigenschaften von Ceroxid-Nanopartikeln. Opt. Mater. (Amst) 92, 136–142 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sayyed, SAAR, Beedri, NI, Bhujbal, PK, Shaikh, SF & Pathan, HM Eosin-Y-sensibilisierte zweischichtige ZnO-Nanoblumen-CeO2-Photoanode für die Anwendung farbstoffsensibilisierter Solarzellen. ES Mater. Hersteller 10(2), 45–51 (2020).

CAS Google Scholar

Li, J. et al. Einfache Herstellung eines MgAl2O4/CeO2/Mn3O4-Heteroübergangs-Photokatalysators und erhöhte photokatalytische Aktivität. Mater. Heute Chem. 19, 100390 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Labhane, PK & Sonawane, GH Herstellung eines himbeerförmigen, mit reduziertem Graphenoxid markierten ternären Fe/CeO2-Heteroübergangs mit verbesserter photokatalytischer Leistung. Inorg. Chem. Komm. 113, 107809 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Sabzehmeidani, MM, Karimi, H. & Ghaedi, M. Auf Nanofasern basierender quartärer CeO2/Co3O4/Ag/Ag3PO4 S-Schema-Heteroübergangs-Photokatalysator mit verstärktem Abbau organischer Farbstoffe. Mater. Res. Stier. 147, 111629 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Murugesan, S., Sasibabu, V., Jegadeesan, GB, & Venkatachalam, P. 2022 „Photokatalytischer Abbau von reaktivem schwarzen Farbstoff unter Verwendung von ZnO-CeO2-Nanokompositen“, Environ. Wissenschaft. Umweltverschmutzung. Res., S. 1–15.

Krishnan, A. et al. Abstimmung der photokatalytischen Leistung des CeO2-Fe2O3-Komposits durch Sn-Dotierung für den effektiven Abbau der Farbstoffe Methlenblau (MB) und Methylorange (MO). Surfen. Schnittstellen 22, 100808 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ahmed, SH et al. Untersuchung der Bandlücke und der photokatalytischen Eigenschaften von CeO2/rGO-Kompositen. Mol. Katal. 486, 110874 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Bekele, TM „Synthese und Charakterisierung von CdS/CeO2-Nanokompositen mit verbessertem photokatalytischen Abbau des Methylorange-Farbstoffs durch sichtbares Licht“, 2021.

Jampaiah, D. et al. Blütenartige Mn3O4/CeO2-Mikrokügelchen als effizienter Katalysator für Dieselruß- und CO-Oxidation: Synergistische Effekte für verbesserte katalytische Leistung. Appl. Surfen. Wissenschaft. 473, 209–221 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Raees, A., Jamal, MA, Ahmed, I., Silanpaa, M. & Saad Algarni, T. Synthese und Charakterisierung von CeO2/CuO-Nanokompositen für den photokatalytischen Abbau von Methylenblau im sichtbaren Licht. Coatings 11(3), 305 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ji, SM, Tiwari, AP & Kim, HY PAN-ZnO//PAN-Mn3O4/CeO2 Janus-Nanofasern: Kontrollierte Herstellung und verbesserte photokatalytische Eigenschaften unter UV- und sichtbarem Licht. Chem. Physik. Lette. 759, 138050 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Seeharaj, P., Vittayakorn, N., Morris, J. & Kim-Lohsoontorn, P. CeO2/CuO/TiO2-Heteroübergangs-Photokatalysatoren für die Umwandlung von CO2 in Ethanol. Nanotechnologie 32(37), 375707 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Raha, S., Mohanta, D. & Ahmaruzzaman, M. Neuartiges CuO/Mn3O4/ZnO-Nanokomposit mit überlegener photokatalytischer Aktivität zur Entfernung von Rabeprazol aus Wasser. Wissenschaft. Rep. 11(1), 1–19 (2021).

Artikel Google Scholar

Arunpandiyan, S., Bharathi, S., Pandikumar, A., Arasi, SE & Arivarasan, A. Strukturanalyse und Redox-Additiv-Elektrolyt-basierte Superkondensatorleistung von ZnO/CeO2-Nanokomposit. Mater. Wissenschaft. Halbleiter. Verfahren. 106, 104765 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Z., Zhao, J. & Yin, S. Lösungsverbrennungssynthese von CeO2-Pulvern und ihre Anwendung in der Wasseraufbereitung. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 19, 2990–2997 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, L. et al. Sauerstofffehlstellen verbesserten die Gaserkennungsleistung der CeO2/Graphen-Heterostruktur bei Raumtemperatur. Anal. Chem. 90(16), 9821–9829 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gnanasekaran, L. et al. Photokatalytische Entfernung von Lebensmittelfarbstoffen mithilfe von NiO/CuO-Heteroübergangs-Nanomaterialien. Lebensmittelchem. Toxicol. 167, 113277 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Vyas, S., Shukla, A., Shivhare, SJ, Bagal, S. & Upadhyay, N. Hochleistungsleitende Nanokomposite Polyanilin (PANI)-CuO mit verbesserter antimikrobieller Aktivität für biomedizinische Anwendungen. ES Mater. Hersteller 15, 46–52 (2021).

Google Scholar

Amalraj, S. & Michael, PA Synthese und Charakterisierung von Al2O3- und CuO-Nanopartikeln zu Nanoflüssigkeiten für Solarpanel-Anwendungen. Ergebnisse Phys. 15, 102797 (2019).

Artikel Google Scholar

Shaik, DPMD, Pitcheri, R., Qiu, Y. & Hussain, OM Hydrothermal synthetisierte poröse Mn3O4-Nanopartikel mit verbesserter elektrochemischer Leistung für Superkondensatoren. Ceram. Int. 45(2), 2226–2233 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Yosefi, L. & Haghighi, M. Sequentielles Niederschlagsdesign eines binären Halbleiter-Nanoheteroübergangs p-BiOCl-p-Mn3O4 mit erhöhter Photoaktivität für die Entfernung von Säureorange 7 aus Wasser. Ceram. Int. 45(7), 8248–8257 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Shaik, DPMD, Rosaiah, P. & Hussain, OM Superkapazitive Eigenschaften von Mn3O4-Nanopartikeln, synthetisiert durch hydrothermale Methode. Mater. Heute Proc. 3(1), 64–73 (2016).

Artikel Google Scholar

Zenou, VY & Bakardjieva, S. Mikrostrukturanalyse von undotierten und mäßig Sc-dotierten TiO2-Anatas-Nanopartikeln unter Verwendung der Scherrer-Gleichung und Debye-Funktionsanalyse. Mater. Charakter. 144, 287–296 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Mustapha, S. et al. Vergleichende Untersuchung der Kristallitgröße unter Verwendung von Williamson-Hall- und Debye-Scherrer-Diagrammen für ZnO-Nanopartikel. Adv. Nat. Wissenschaft. Nanowissenschaften. Nanotechnologie. 10(4), 45013 (2019).

Artikel Google Scholar

Liu, Y., Chen, H.-S., Li, J. & Yang, P. Morphologische Anpassung eindimensionaler CeO2-Nanostrukturen durch Kalzinierung und deren Verbund mit Au-Nanopartikeln für eine verbesserte Katalyse. RSC Adv. 5(47), 37585–37591 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Chutia, B. et al. Aufklärung der Rolle von CeO2 bei der Stabilisierung multivalenter Mn-Spezies auf der α-MnO2/Mn3O4/CeO2/C-Oberfläche für eine verbesserte Elektrokatalyse. Energy Fuels 35(13), 10756–10769 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, X. et al. Mit Nanopartikeln aggregierte CuO-Nanoellipsoide für den leistungsstarken nicht-enzymatischen Glukosenachweis. J. Mater. Chem. A 2(26), 10073–10080 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Manibalan, G. et al. Hohe elektrochemische Leistung und verbessertes elektrokatalytisches Verhalten eines hydrothermisch synthetisierten, hochkristallinen CeO2@NiO-Nanokomposits mit Heterostruktur. Inorg. Chem. 58(20), 13843–13861 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bellardita, M., Fiorenza, R., Palmisano, L. und Scirè, S. „Photokatalytische und photothermokatalytische Anwendungen von Materialien auf Ceroxidbasis“, In Ceroxid (CeO2): Synthese, Eigenschaften und Anwendungen, Elsevier, 2020, S. 109–167.

Rajendran, SGV Synthese von CeO2- oder a-Mn2O3-Nanopartikeln über einen Sol-Gel-Prozess und ihre optischen Eigenschaften. J. Solgel Sci. Technol. 74, 62–69. https://doi.org/10.1007/s10971-010-2356-9 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Magdalane, CM et al. Bewertung der heterostrukturierten binären CeO2/Y2O3-Metalloxid-Nanokomposite für den durch UV/Vis-Licht induzierten photokatalytischen Abbau des Rhodamin-B-Farbstoffs für textiltechnische Anwendungen. J. Alloys Compd. 727, 1324–1337 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Dagher, S., Haik, Y., Ayesh, AI & Tit, N. Synthese und optische Eigenschaften kolloidaler CuO-Nanopartikel. J. Lumin. 151, 149–154 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Xaba, T. Einfluss von Temperatur und Konzentration des Verkappungsmoleküls und Bis(N-Cyclohexyl-2-hydroxy-1-naphthaldehydato)mangan (II) als Vorläufer aus einer einzigen Quelle für die Synthese von TOPO-verkappten Mn3O4-Nanopartikeln. Asian J. Chem. 30(12), 2652–2658 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Munawar, K. et al. Einstufige Herstellung von CuO-MnO-2TiO2-Verbunddünnfilmen mit verbesserter photoelektrochemischer Reaktion. RSC Adv. 7(26), 15885–15893 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

N. Gowriboy, R. Kalaivizhi, … NK-J. von und undefiniert 2022, „Herstellung und Charakterisierung von Polymer-Nanokompositmembranen (Cu-MOF@CA/PES) für die Wasseraufbereitung“, Elsevier, Zugriff: 13. Februar 2023. [Online]. Verfügbar: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221334372201541X.

Xiao, J. et al. Mesoporöse Mn3O4-CoO-Kern-Schale-Kugeln, umhüllt von Kohlenstoffnanoröhren: Ein Hochleistungskatalysator für die Sauerstoffreduktionsreaktion und CO-Oxidation. J. Mater. Chem. A 2(11), 3794–3800 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Li, N. et al. Effiziente Entfernung von Chrom aus Wasser durch Mn3O4@ ZnO/Mn3O4-Komposit unter simulierter Sonnenlichtbestrahlung: Synergie von photokatalytischer Reduktion und Adsorption. Appl. Katal. B Umgebung. 214, 126–136 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Mohanta, D., Gupta, SV, Gadore, V., Paul, S. & Ahmaruzzaman, M. SnO2-Nanopartikel – CeO2-Nanostäbe, angereichert mit Sauerstofffehlstellen für bifunktionale Sensorleistungen gegenüber toxischem CO-Gas und Arsenationen. ACS Omega 7, 20357–20368 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Adam, RE et al. Auf Graphen basierende plasmonische Nanokomposite für stark verbesserte solarbetriebene photokatalytische Aktivitäten. RSC Adv. 9(52), 30585–30598 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Idriss, H. Zur falschen Zuordnung des XPS-O1s-Signals bei 531–532 eV, zurückzuführen auf Sauerstofffehlstellen in Photo- und Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung und andere Materialanwendungen. Surfen. Wissenschaft. 712, 121894 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, K., Chang, Y., Lv, L. & Long, Y. Einfluss der Glühtemperatur auf die Sauerstoffleerstellenkonzentrationen von nanokristallinem CeO2-Film. Appl. Surfen. Wissenschaft. 351, 164–168 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Raha, S. & Ahmaruzzaman, M. Einfache Herstellung von g-C3N4-gestützten Fe3O4-Nanopartikeln/ZnO-Nanostäben: Eine auf sichtbares Licht reagierende Architektur der Superlative für den schnellen Abbau von Pantoprazol. Chem. Ing. J. 387, 123766 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Georgaki, I., Vasilaki, E. & Katsarakis, N. Eine Studie zum Abbau von Carbamazepin und Ibuprofen durch TiO2- und ZnO-Photokatalyse bei Bestrahlung mit UV/sichtbarem Licht. Bin. J. Anal. Chem. 5(08), 518 (2014).

Artikel Google Scholar

Ahmad, I. et al. Mit Seltenen Erden codotierte ZnO-Photokatalysatoren: Lösungsverbrennungssynthese und Umweltanwendungen. Sep. Purif. Technol. 237, 116328 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Li, X., Yu, J. & Jaroniec, M. Hierarchische Photokatalysatoren. Chem. Soc. Rev. 45(9), 2603–2636 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Halomoan, I., Yulizar, Y., Surya, RM & Apriandanu, DOB Einfache Herstellung von CuO-Gd2Ti2O7 unter Verwendung von Acmella uliginosa-Blattextrakt für den photokatalytischen Abbau von Malachitgrün. Mater. Res. Stier. 150, 111726 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. et al. Synthese von SnO2/ZnO-Blumenkomposit-Photokatalysatoren für einen verbesserten photokatalytischen Abbau von Malachitgrün. Opt. Mater. (Amst) 133, 112978 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Q. et al. Duale metallfreie Polymerreaktivstellen für den effizienten Abbau von Diclofenac durch durch sichtbares Licht gesteuerte Sauerstoffreduktion zu Superoxidradikalen und Wasserstoffperoxid. Umgebung. Wissenschaft. Nano 6(8), 2577–2590 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, H. et al. Modellierung der Abbaukinetik von Gemfibrozil und Naproxen im UV/Chlor-System: Rollen reaktiver Spezies und Auswirkungen der Wassermatrix. Wasserres. 202, 117445 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ramandi, S., Entezari, MH & Ghows, N. Solarer photokatalytischer Abbau von Diclofenac durch N-dotierte TiO2-Nanopartikel, die durch Ultraschall synthetisiert werden. Iran. J. Chem. Chem. Ing. 39(3), 159–173 (2020).

Google Scholar

Mahboob, I. et al. Wirkung aktiver Speziesfänger bei der photokatalytischen Entschwefelung von Hydrocracker-Diesel unter Verwendung von mesoporösem Ag3VO4. Chem. Ing. J. 441, 136063 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Magdalane, CM et al. Photokatalytischer Abbaueffekt von Malachitgrün und katalytische Hydrierung durch UV-beleuchtete mehrschichtige CeO2/CdO-Nanoplättchen-Arrays: Untersuchung antimykotischer und antimikrobieller Aktivitäten. J. Photochem. Photobiol. B Biol. 169, 110–123 (2017).

Artikel Google Scholar

Zhang, Z. et al. Durch magnetische Eisennanopartikel induzierte ROS-Erzeugung aus Catechol-haltigem Mikrogel für Umwelt- und biomedizinische Anwendungen. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 12(19), 21210–21220 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Helaïli, N., Y. Bessekhouad, Bouguelia, A. & Trari, M. Degradation von Orange II durch sichtbares Licht unter Verwendung von xCuyOz/TiO2-Heteroübergängen. J. Hazard. Mater. 168(1), 484–492 (2009).

Artikel PubMed Google Scholar

Wu, Y., Chu, D., Yang, P., Du, Y. & Lu, C. Ternäres mesoporöses WO 3/Mn 3 O 4/N-dotiertes Graphen-Nanokomposit für verbesserte Photokatalyse unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Katal. Wissenschaft. Technol. 5(6), 3375–3382 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Saravanan, R., Joicy, S., Gupta, VK, Narayanan, V. & Stephen, A. Durch sichtbares Licht induzierter Abbau von Methylenblau unter Verwendung von CeO2/V2O5- und CeO2/CuO-Katalysatoren. Mater. Wissenschaft. Ing. C 33(8), 4725–4731 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Kusmierek, E. Ein CeO2-Halbleiter als photokatalytisches und photoelektrokatalytisches Material zur Sanierung von Schadstoffen in Industrieabwässern: Ein Überblick. Katalysatoren 10(12), 1435 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Mousavi-Kamazani, M., Rahmatolahzadeh, R. & Beshkar, F. Einfache solvothermale Synthese des CeO2-CuO-Nanokomposit-Photokatalysators unter Verwendung neuartiger Vorläufer mit verbesserter photokatalytischer Leistung beim Farbstoffabbau. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 27(5), 1342–1350 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Hasan Taresh, B., Hadi Fakhri, F. & Ahmed, LM Synthese und Charakterisierung von Cuo/CeO2-Nanokompositen und Untersuchung ihrer photokatalytischen Aktivität. J. Nanostructures 12(3), 563–570 (2022).

Google Scholar

Feng, X. et al. Hochaktive PdO/Mn3O4/CeO2-Nanokomposite auf eindimensionalen Halloysit-Nanoröhren für die photounterstützte thermisch-katalytische Methanverbrennung. Angew. Chemie Int. Ed. 60(34), 18552–18556 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Raha, S. & Ahmaruzzaman, M. Verbesserte Leistung eines neuartigen superparamagnetischen g-C3N4/NiO/ZnO/Fe3O4-Nanohybrid-Photokatalysators zur Entfernung von Esomeprazol: Auswirkungen von Reaktionsparametern, gleichzeitig vorhandenen Substanzen und Wassermatrizen. Chem. Ing. J. 395, 124969. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124969 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y., Xiao, Y., Zhong, Y. & Lim, TT Vergleich des Amoxicillin-Photoabbaus in den Systemen UV/H2O2 und UV/Persulfat: Reaktionskinetik, Abbauwege und antibakterielle Aktivität. Chem. Ing. J. 372, 420–428. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2019.04.160 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Santiago, DE et al. Einfluss anorganischer Ionen auf die photokatalytische Behandlung von Imazalil enthaltenden agroindustriellen Abwässern. Appl. Katal. B Umgebung. 156–157, 284–292. https://doi.org/10.1016/J.APCATB.2014.03.022 (2014).

Artikel Google Scholar

Wang, Y., Lu, K. & Feng, C. Einfluss anorganischer Anionen und organischer Additive auf den photokatalytischen Abbau von Methylorange mit geträgerten Polyoxometallaten als Photokatalysator. J. Rare Earths 31(4), 360–365. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(12)60286-5 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Tomašević, A. et al. Photochemisches Verhalten des Insektizids Methomyl unter verschiedenen Bedingungen. Sep. Sci. Technol. 45(11), 1617–1627. https://doi.org/10.1080/01496395.2010.487720 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Lair, A., Ferronato, C., Chovelon, JM & Herrmann, JM Naphthalinabbau in Wasser durch heterogene Photokatalyse: Eine Untersuchung des Einflusses anorganischer Anionen. J. Photochem. Photobiol. Ein Chem. 193(2–3), 193–203. https://doi.org/10.1016/J.JPHOTOCHEM.2007.06.025 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Medinas, DB, Cerchiaro, G., Trindade, DF & Augusto, O. Das Carbonatradikal und verwandte Oxidationsmittel stammen aus Bicarbonatpuffer. IUBMB Life 59(4–5), 255–262. https://doi.org/10.1080/15216540701230511 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Abramovic, B., Despotovic, V., Šojic, D. & Fincur, N. Mechanismus des photokatalytischen Abbaus von Clomazon: Hydroxylradikal-, Elektronen- und Lochfänger. Reagieren. Kinet. Mech. Katal. 115(1), 67–79. https://doi.org/10.1007/S11144-014-0814-Z/FIGURES/6 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, Y., Yang, S., Wang, K. & Lou, L. Rolle der primären aktiven Spezies und der TiO2-Oberflächeneigenschaften beim UV-beleuchteten Photoabbau von saurem Orange 7. J. Photochem. Photobiol. Ein Chem. 172(1), 47–54. https://doi.org/10.1016/J.JPHOTOCHEM.2004.11.006 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken dem IIC IIT Roorkee, dem STIC Cochin und dem SAIF IIT Madras.

Abteilung für Chemie, National Institute of Technology, Silchar, Assam, 788010, Indien

Shaswat Vikram Gupta & Md. Ahmaruzzaman

Abteilung für Bauingenieurwesen, National Institute of Technology, Silchar, Assam, 788010, Indien

Vihangraj Vijaykumar Kulkarni

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

SVG hat den gesamten Manuskripttext und die Abbildungen geschrieben. VVK hat das gesamte Manuskript bearbeitet und MA hat das gesamte Manuskript betreut, bearbeitet und korrigiert. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript überprüft und genehmigt.

Korrespondenz mit Md. Ahmaruzzaman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Gupta, SV, Kulkarni, VV & Ahmaruzzaman, M. Bandlückentechnischer Ansatz zur Gestaltung des CuO/Mn3O4/CeO2-Heteroübergangs als neuartiger Photokatalysator für den AOP-unterstützten Abbau des grünen Farbstoffs Malachit. Sci Rep 13, 3009 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30096-y

Zitat herunterladen

Eingegangen: 01. Januar 2023

Angenommen: 15. Februar 2023

Veröffentlicht: 21. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30096-y

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Zeitschrift für Nanopartikelforschung (2023)

Zeitschrift für anorganische und metallorganische Polymere und Materialien (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.