가시광선 조사 하에서 질소와 MoS2로 변형된 TiO2 나노입자를 통한 유기 오염물질의 효율적인 광촉매 분해

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8845(2023) 이 기사 인용

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폐수 내 유기 오염물질의 광촉매 분해를 개선하기 위해 가시광선의 사용을 조사합니다. 가시광선 조사 하에서 메틸렌 블루(MB)의 광분해에 적용된 고체 방법으로 합성된 서로 다른 중량비의 MoS2(1, 2, 3wt.%)를 갖는 질소 도핑된 티타니아 및 황화 몰리브덴 나노복합체(NTM NC). 합성된 NTM 복합재는 SEM, TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis, DRS 및 PL 분광학으로 특성화되었습니다. 결과는 순수한 TiO2와 비교하여 가시광선 조사 하에서 물에서 MB를 산화시키는 NTM 하이브리드 나노결정의 향상된 활성을 보여주었습니다. NTM 샘플의 광촉매 성능은 MoS2 함량에 따라 증가했습니다. 그 결과, TiO2 화합물의 광분해 효율은 N-TiO2 존재 시 13%에서 82%로 향상되었으며, N-TiO2를 함유한 MoS2 존재 시에는 TiO2에 비해 7.61배 높은 99%로 향상되었다. 광학 특성 분석 결과는 최적의 N-TiO2/MoS2(NTM2) 비율에서 e/h+ 사이의 긴 수명과 함께 가시 영역에서 강화된 나노복합체 흡수를 보여줍니다. 재사용 가능한 실험에 따르면 준비된 NTM NC 광촉매는 MB 광분해 중에 안정적이며 환경 복원을 위한 실용적인 응용 프로그램이 있음이 나타났습니다.

섬유, 종이, 화장품, 제약 및 식품 산업은 모두 유색 염료를 광범위하게 사용합니다 1,2,3. 명확한 원인으로 인해 특히 섬유 산업에서 발생하는 염료로 오염된 물은 제거하기가 어렵습니다. 이러한 유색 염료의 대부분은 합성 기원이며 일반적으로 분자 구조에 방향족 고리로 구성되어 있으며, 적절한 처리 없이 폐수로 배출될 경우 불활성이고 생분해되지 않습니다4,5. 따라서 오염된 물에서 이러한 염료를 제거하는 것은 인류의 건강과 환경 자원 보호 측면에서 매우 시급하다. 6. 가장 일반적으로 사용되는 기본 염료인 메틸렌 블루(MB)는 인쇄 및 염색 산업에서 다양한 용도로 사용되는 것으로 여겨진다7. 보고서에 따르면 섬유 산업은 염료 시장 및/또는 소비의 약 67%를 차지하며, 섬유 생산 1톤당 120입방미터의 산업 폐수가 배출됩니다. 많은 산업 분야에서 MB의 중요성에도 불구하고 효과적으로 관리하지 않으면 환경과 인간 건강에 MB의 존재가 손상될 수 있습니다. MB는 발암성이 있으며 MB의 분자 구조에서 방향족 고리의 특징적인 안정성으로 인해 분해되지 않습니다. 염색 폐수 처리에는 흡착, 화학적 침전 등 전통적인 생물학적, 화학적, 물리적 기술이 인정됩니다. 이러한 방법은 비용이 많이 들고, 슬러지를 형성하거나 활성탄에 염료 흡착과 같은 2차 오염물질을 생성합니다. 여기서 오염물질은 액체상에서 고체상으로만 전환되어 오염을 유발합니다. 2차 감염. 따라서 염료를 무독성 화합물로 분해하는 것이 필수적이며 권장됩니다 8,9,10,11. AOP(Advanced Oxidation Process)는 현재 수처리 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 광생성된 전자-정공 쌍의 수명을 연장하기 위해 반도체 이종접합으로 구성된 하이브리드 광촉매가 필요합니다. 반도체는 유기 오염물질, 특히 밴드 갭으로 인해 가시광선을 흡수하는 능력이 있는 오염물질을 광촉매적으로 분해하기 위해 AOP에 사용되었습니다. 광촉매 반도체 중에서 이산화티타늄(TiO2)은 유기 오염물질을 쉽게 분해하는 능력, 강한 산화 능력, 낮은 독성, 화학적 안정성, 저렴한 비용 및 가용성으로 인해 큰 관심을 끌고 있습니다19,20. TiO2의 광촉매 성능은 주로 광생성된 전자-정공 쌍의 수명에 의해 결정되지만 TiO2의 전자-정공 쌍의 빠른 재결합 속도는 광촉매에서의 적용을 제한합니다21. 광생성된 전자-정공 쌍의 수명을 연장하기 위해 반도체로 구성된 하이브리드 광촉매 이종접합은 광생성 전하 캐리어의 빠른 재결합 속도를 억제해야 합니다22,23. 이와 관련하여 밴드 갭을 줄이고 광촉매 활성을 향상시키기 위한 많은 노력이 이루어져 왔습니다. 광반응 범위를 가시광선까지 확장하기 위해 인식된 재료는 비금속 도펀트인 질소 26,27로 TiO2를 도핑하는 것입니다. 서로 다른 에너지 수준에서 TiO2와 질소의 결합은 전자-정공 분리 효율을 향상시키고 광촉매 반응의 효율을 향상시킵니다. 또한 TiO2를 MoS2와 같은 다른 밴드갭 반도체와 결합하면 이종 광촉매를 만드는 것이 가능합니다. MoS2는 무독성이고 안정성이 높으며 산화력이 강하고 상대적으로 저렴한 물질입니다. MoS2는 표면적이 넓기 때문에 N-TiO228,29에 대한 탁월한 촉매 역할을 할 수 있습니다. MoS2는 레이어에 따라 조정 가능한 대역폭, 1.2eV의 간접 대역폭, 1.9eV의 직접 대역폭 및 높은 이론적 촉매 활성을 나타냅니다30,31. 밴드갭으로 인해 반도체는 유기 오염물질, 특히 가시광선을 흡수하는 능력을 가진 오염물질을 광촉매적으로 분해하기 위해 AOP에 사용되었습니다. N-TiO2와 MoS2를 서로 다른 에너지 수준에서 결합하면 전자-정공 분리 효율이 향상되고 광촉매 반응 32,33. 여기에 제시된 작업은 염료 오염물질, 특히 메틸렌 블루(MB) 염료의 가시광 기반 사진 분해를 환경 친화적인CO2 및 H2O로 집중시킵니다. 다른 방법에 비해 저온 합성, 비용 효율성 및 반응 역학 제어가 용이한 고체 방법을 사용하여 광촉매로서 N-TiO2/MoS2(NTM)의 새로운 이종 나노복합체를 개발했습니다. 또한, 순수 TiO2와 비교하여 가시광선 하에서 MB 분해에 대한 우수한 광촉매 활성을 발견하기 위해 얻은 샘플의 물리화학적 특성을 광범위하게 조사했습니다. 합성된 NTM은 환경 보호 응용 분야에 효과적인 광촉매임이 입증되었습니다.