写真によるクリスタルバイオレット汚染物質の効果的な除去

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7723 (2023) この記事を引用

294 アクセス

メトリクスの詳細

光フェントン プロセスは、クリスタル バイオレット (CV) などの有機染料の光触媒作用に使用される高度酸化プロセスの適切な方法です。 La3+ イオン置換ガドリニウム酸化ジルコニウム Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粉末 (x = 0.1、0.2、0.3、0.5) を、効率的な光触媒に使用するゾルゲル自己燃焼法を使用して調製することに成功しました。フォトフェントンプロセスによる履歴書の作成。 X線回折分析を使用して、空間群Fm-3mで構造化されたよく結晶化した欠陥蛍石が検出されました。 格子パラメータは、評価された La3+ イオン濃度とともに増加することがわかりました。 合成された粉末の粒径は、La3+ イオン含有量の増加とともに増加しました。 ＳＡＥＤパターンは、蛍石構造の蛍石を示した。 紫外/可視分光光度計を使用して、La3+ イオン含有量の増加とともに増加する Gd(2-x)La(x)Zr2O7 ナノ粉末のバンドギャップ エネルギーを測定しました。 4 eV から 3.6 eV に増強することがわかりました。 プロセスの有効性を保証するために、光触媒プロセス中の未知の濃度を測定するために可視分光光度計が使用されました。 全体として、結果は、Gd(2-x)La(x)Zr2O7 上の光フェントン反応がクリスタル バイオレット (CV) の除去に優れて機能したことを示しています。 CV の光修復率は 1 時間以内に 90% に達しました。

紙、繊維、皮革、プラスチック、電気めっき、食品加工、製薬、農業部門は、現代において商業が増加した産業のほんの一部です1、2。 これらの分野は高品質の製品を生産するため、社会全体にとって重要です。 工業操業の大部分は製品の着色に有機染料に依存しており、これらの色は小川や河川などの淡水帯水層に排出され、最終的には海に流れ込みます3、4、5。

これらの染料は長い間存在しており、ほぼすべての種類の生命に重大な害を与えているだけでなく、自然の平衡を崩しています6,7。 これらの色の約 20% は廃液として環境に捨てられ、生態系に悪影響を及ぼします。 これらの汚染物質は、その構造が安定しているため、分解することが非常に困難です8,9。 さらに、これらの汚染物質は、目の炎症、皮膚アレルギー、遺伝子変異、肝臓の問題など、人々に重大な問題を引き起こす可能性があります10、11、12。

これらの危険な染料の 1 つはクリスタル バイオレット (CV) として知られており、肥料、洗剤、静菌剤、皮革用の着色料、洗剤など、グラム社が製造するさまざまな製品に使用されています。 それは海洋生物にとって強力な発がん物質です。 さらに、CV は染色体を破壊し、損傷した細胞が分裂するときに深刻な問題を引き起こします。 さらに、CV 染料は繊維および紙の染料分野で利用されるトリフェニルメタン カチオン染料として分類されます。 肥料、不凍液、洗剤、皮革などのさまざまな製品もこの技術を使用して着色されています。 組織学染色として CV も使用され、特に細菌を分類するためのグラム染色で使用されます 13,14。

水生生物の撹乱と水質汚染は、廃水への染料の投棄によって引き起こされます15。 その結果、CV16 などの染料を含む廃水を処理するための適切かつ効率的な方法が必要とされています。これは、染料が人間と動物の両方に癌やその他の突然変異を引き起こす能力が証明されているためであり 17、人間が不可欠であるためです。 従来の酸化剤や凝固剤、さらに生分解、凝固、吸着、物理的沈着は、CV18,19 の治療には不十分であることが判明しました。

一方で、より優れた酸化剤、マイクロ波触媒作用、光触媒作用、膜技術、および高度な酸化プロセス（AOP）は、CV 脱色に有望であると思われます 20,21,22。 物理的処理の根本的な欠陥は、染料を液体から固体の形に移動させるだけであり、洗浄が困難であることです。 その結果、そのような汚染物質を分解するために、AOP、特に不均一系光触媒を利用した化学処理が関心を集めている23。

Wang et al.24 によると、不均一 AOP 内の金属酸化物は強力な非選択性ヒドロキシルラジカル (HO・) を生成し、これがさまざまな有機汚染物質を短鎖脂肪酸に分解し、より容易に除去できるとのことです25。 紫外可視光では、金属酸化物の表面で完全に無機化してグリーン最終製品を生成する中間有機分子を導入するには、電子正孔対プロセスが必要です。 経済的な観点から可視光は紫外線よりも安価であるため、新しいナノサイズの光触媒が可視光にどのように応答するかが広く研究されています。

これまでの研究では、廃水に含まれる染料の光触媒プロセスに多くの物質が導入されました。 TiO2 のナノスフェア、Mn ドープおよび PVP キャップ ZnO NP、Ag 修飾 Ti ドープ Bi2O3、ZnS NPS、CeO2-TiO2 ナノ複合材料、AgBr-ZnO ナノ複合材料、グラフト化アルギン酸ナトリウム/ZnO/酸化グラフェンはすべて、 CV26を脱色します。 Liu ら 27 は、フェントン様反応によるクリスタルバイオレットの分解に PM-Fe/Ni/H2O2 を使用しました。 Oladipo et al.28 は、CV 光分解プロセスで使用するオクタデシルアミンでキャップされたカドミウム ナノ粒子 CdS を調製しました。 ZnO/CNA も Messaoudi et al.29 によって CV の分解用に調製されており、他の有機染料と同様に多くの材料が CV の分解に使用されています。

次に、前述の酸化物の性能を評価し、本研究の結果を対比する。 この研究では、特にフェントンのような方法による、光触媒プロセスに適したエネルギーギャップ値の値を高めるために、Gd2Zr2O7 にランタンを組み込むことが議論されました。 当社がパイロクロアを選択する理由は、他の化合物とは異なるその化学組成により、有機染料の光分解に優れた能力を発揮するためです。 この特徴により、優れた光触媒であることがわかります。 分析工程ではこれまで多くの種類のパイロクロアを使用していたため、光触媒の目的に適合する特徴のある新元素Gd(2−x)La(x)Zr2O7を含むパイロクロアを使用しました。 Gd(2−x)La(x)Zr2O7 は、より多くの特徴によって他のものと区別されており、それがこの研究の新規性を保証します。

パイロクロアの興味深い特徴を深く理解するには、その分類と組成について知る必要があります。 パイロクロア構造の酸化物は、超伝導、遮熱コーティング、発光、強磁性における優れた特性や用途につながる幅広い組成を提供します。 パイロクロアの一般式は A2B2O6O (A = Y または希土類、B = Ti、Zr、Hf、Sn、Tc、または Pb)30 です。 パイロクロア構造は、単純な蛍石構造 (AO2 = A4O8、A と B カチオンが 110 方向に沿って配置) の上部構造の変形です。 追加のアニオン空孔は、2 つの B サイト カチオン間の四面体隙間に見られます。 これらのシステムでは、幾何学的フラストレーションと新しい磁気効果が特に脆弱です。 電子絶縁体 (La2Zr2O7 など)、イオン伝導体 (Gd1.9Ca0.1Ti2O6.9 など)、イオン伝導体と電子伝導体の混合体、スピンアイス系 (Dy2Ti2O7)、スピングラス系 (Y2Mo2O7)、ハルデン鎖系 (Tl2Ru2O7) などがあります。パイロクロア構造 (Cd2Re2O7) の物理的特性の 1 つです。 ビスマスパイロクロアなどのより無秩序な構造も、その魅力的な高周波誘電特性により研究されています。

興味深いことに、ここでは、式 Ln2Zr2O7 (Ln = La-Gd) を持つ希土類ジルコン酸塩はパイロクロア構造タイプに対応し、同様に蛍石同族シリーズに属します。 パイロクロア構造は、知られているように、蛍石構造の変形であり、酸素の 1/8 が除去され、酸素空孔がある程度秩序化されています 31,32,33。 その結果、La3+ 置換 Gd2Zr2O7 が構造パラメータ、結晶子サイズ、微細構造、および光学特性に及ぼす影響を検討しました。 一方、CV は、La3+ 置換 Gd2Zr2O7 ナノ粒子の光フェントン性能をテストするために、ターゲット誘発有機汚染物質モデルとして選択されました。

調製プロセスで使用される材料には、硝酸ガドリニウム六水和物 Gd(NO3)3 が含まれます。 Alfa Aesar Co.から供給された6H2O、Alpha Chemika Co.から供給されたオキシ塩化ジルコニウム八水和物ZrOCl2・8H2O、およびLanxess Co.から供給された酒石酸COOH(CHOH)2COOH。

ゾルゲル自動燃焼技術は、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の作成に使用されます。ここで、x は (0.1、02、0.3、および 0.5) に相当します。 混合後、ＺｒＯＣｌ ２ ・８Ｈ ２ ＯおよびＧｄＨ １２ Ｎ ３ Ｏ １５ を４０ｍｌの蒸留水に１：１のモル比で溶解した。 燃料として機能する酒石酸は、ゾルゲルが形成されるまで、350 °C に設定されたヒーター上の混合物に追加されます。 以下のこと。 ゾルゲルは、100 °C のオーブンで 24 時間乾燥させます。 最後に、乾燥したサンプルを炉内で 1100 °C で 2 時間焼成して、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子を生成します。

Cu Kα 線を照射したさまざまなサンプルの相組成、結晶化度、結晶子サイズ、および構造パラメータは、X 線回折計の回折パターン (Philips PW 1390) に基づいて確立されました。 Thermo Scientific の Nicolet iS 10 分光光度計は、室温で調製されたサンプルの 4000 ～ 400 cm-1 の範囲のフーリエ変換赤外 (FTIR) 吸収スペクトルを測定するためによく使用されます。 テストされたサンプルは、200 mg の KBr と 2 mg の粉末 Gd(2-x)La(x)Zr2O7 サンプルを混合して透明なディスクを作成する圧縮手順を使用して作成されました。 ＵＶ／可視／近赤外分光測光法（Ｊａｓｃｏ Ｖ７７０、日本）技術は、光学特性および光エネルギーギャップを調査するために使用される技術である。 Gd(2-x)La(x)Zr2O7 粒子の微細構造は、透過型電子顕微鏡 (Jeol JEM-1011、日本) を使用して検査されました。

電磁スペクトルの可視部分では、クリスタル バイオレットには大きな吸収帯域 (591 nm) があります。 CV 染料は繊維、料理、化粧品の分野で使用されているにもかかわらず、水生環境にダメージを与える可能性があります。

図 1 に示すように、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子をモデルとして使用し、紫外線の存在下でどのように分解されるかを研究するためのターゲット有機汚染物質として選択しました。 光触媒酸化実験は、マグネティックスターラーに取り付けられた 100 ml ビーカー内で実行され、内壁が銀メッキされた薄層に収容されたビーカーの上にある 2 つの平行な 36 ワット UV ランプにさらされました。 光触媒の均一な分散を確保し、吸着脱着平衡の確立を促進するために、CV (10 ppm) の水溶液 50 mL が入ったビーカーに触媒を導入しました。 １ｍＬ中の３３％Ｈ ２ Ｏ ２ 溶液を反応容器に加えた。 反応はH2O2の添加により始まったと考えられた。 手順中一定の間隔で、液体のアリコートを容器から取り出した(15分)。 分析前に液体に対して遠心分離を行った。 反応後、可視分光光度計を使用して溶液を分析した。 有機染料の分解速度に基づいて、速度論的研究が実施されました。 染料分子の分解プロセスは、染料の分解が擬一次反応速度論に従うことを採用するラングミュア・ヒンシェルウッド モデルを使用して次のように表現できます。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子を使用した CV の光触媒プロセスのグラフ表示。

この式を積分すると、t = 0 で C = Co という制限付きで次の関係が得られます。ここで、Co は暗所吸着後のバルク溶液の初期濃度、t は反応時間です。

この式において、Ao は色素の初期吸光度を表し、T は時間 t における色素の吸光度を表します。 t は色素が光にさらされた時間、Kapp は見かけの反応速度定数です。 − ln[At/A0] 対時間のグラフ上の線形プロットの傾きは、見かけの一次速度定数 (Kapp) と等しくなるはずです。 Kapp 値は、H2O2 と可視光が存在するときに光触媒材料が CV 分子をどれだけ早く分解するかを示します。 CV 除去効率 (η) は次の方法で決定されました。

ビール法 Lambert は、染料の吸光度は CV 染料濃度に比例すると述べています。

提出された作品はオリジナルであり、いかなる形式または言語でも（部分的または全体的に）他の場所で公開されていません。 すべての著者は、投稿することに明示的に同意し、研究が実施された研究所/組織の責任当局から同意を得た内容に同意しました。

酒石酸を燃料としてゾルゲル自己燃焼ルートに基づいて作製され、1100℃で2時間アニールされたGd(2−x)La(x)Zr2O7のX線回折パターンを図2に示します。空間群: Fm-3 m の欠陥蛍石構造 Gd2Zr2O7 の (111)、(200)、(220)、(311)、および (222) 反射に関連する幅広い回折ピーク (PDF#80–0471) 2θ = 29.41°、34.12°、48.90°、58.26°、および 61.18° で検出され、これらの結果は他の研究とよく一致しています 34,35。 しかし、111 (14°)、311 (28°)、331 (37°)、511 (45°) (空間群: Fd-3 m) のパイロクロア超構造は見つかりませんでした。 Gd2Zr2O7 構造はパイロクロア - 蛍石転移の幾何学的境界 (RGd/RZr = 1.46) に近いため、100% の秩序は認識されず、原子の反転に起因すると考えられます。 O1 サイトから最初は占有されていなかった O3 サイトへの酸素原子の 10% の移動が、酸素副格子の無秩序の原因となります。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子、Gd2Zr2O7 の XRD (JCPD01-080–0471(c))。

準備された希土類酸化ジルコン酸塩ベースの材料は主に。 パイロクロアまたは蛍石の結晶構造を持っています。 (La1-xGdx)2Zr2O7 から生成されるパイロクロア、La2Zr2O7 を例にして結晶構造を説明すると、La3+ カチオンは結晶学的特定の位置、16c (0, 0, 0) (A)、Zr4+ カチオンは 16d サイトを占めます ( 1/2, 1/2, 1/2) (Bサイト)、(001)面上で[110]方向と[−110]方向が交互に存在する。 A と B のカチオンが列構造で配置された規則的な格子。 酸素イオンの場合、48f が 2 つあります。 ポジション。

ここで、Cu ターゲットの波長は 1.5406 nm、dRX は結晶子サイズ、k = 0.9 は粒子形態を考慮した補正係数、FWHM は半値全幅、ブラッグ角です。 表 1 に示すように、平均は x = 0.1 で 27.75 nm、x = 0.2 で 38.525 nm、x = 0.3 で 40.76 nm、x = 0.5 で 30.85 nm であることがわかりました。 ブラッグ方程式、a = dhkl \(\sqrt{{h}^{2}+{k}^{2}+{I}^{2}}\) を使用すると、合成された Gd( 2−x)La(x)Zr2O7粉末を推定した。 dは一次回折ピークの面間隔を表します。

La と Gd は互いに置換基となる類似の性質があります。 両方の電子構造はそれぞれ [Xe] 5d1 6s2 と [Xe] 4f7 5d1 6s2 です。 原子半径はそれぞれ 195 および 233 pm です。 したがって、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 の結晶子サイズ (nm) と格子パラメータの結果は非常に合理的です。

合成サンプルの FT-IR スペクトルを図 3 に示します。波数 1640 cm-1 と 3425 cm-1 の間の吸収ピークが、水に起因する水​​中の OH の曲がりと振動に関係していることが観察されます。大気から吸収されている34。 547 および 1425 cm-1 の吸収バンドは Gd-O 振動によって引き起こされます。 715 cm-1 の認識可能なピークは、Zr-O-Zr の伸縮に関連した振動と相関しています。 M-O 結合 (M=Zr-Gd) の伸縮振動は、847 および 666 cm-1 に特徴的なピークを生成します。 1505、1398、および 1080 cm-1 のピークは、Zr-OH 振動に関連しています 35。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の FTIR。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7（x = 0.1および0.5）の破面は、図4に示すTEM画像を使用して区別されます。粒子成長速度は、評価されたLa3+イオン濃度とともに増加しました。 粒子は、ある程度の凝集を伴う立方体状の構造を示します。 La3+ イオンのさらなる増加に伴い、粒径は 20 nm から 50 nm に増加しました。 このような結果は、La3+ イオンと Gd3+ イオンの間のイオン半径の変化に基づいて説明できます。 図４に示されるＳＡＥＤ回折パターンは、欠陥蛍石構造の蛍石構造と一致した。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の TEM 顕微鏡写真。

図 5 は、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の電子回折パターンを示しています。これは、X 線の結果を証明し、調製されたサンプルの結晶特徴を証明しています。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の電子回折パターン。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7蛍光体の光学バンドギャップは、Kubelka-Munk理論および拡散UV-Vis分光反射率に基づくGd(2−x)La(x)Zr2O7自体の光学バンドギャップと同一である。図6サンプルの拡散反射スペクトルを示します。

Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の拡散反射スペクトル。

UV/Visの測定より。 分析すると、浄化時間の増加に伴って汚染水（クリスタルバイオレット溶液）の吸光度スペクトルが増加することがわかります。 図 7 に示すように、Kubelka-Munk (K-M) 関数を使用して、反射率スペクトルを同等の吸収スペクトルに変換します。

純粋な Gd(2−x)La(x)Zr2O7 の Kubelka-Munk プロット。

Eg 計算に関する文献から入手した次の方程式の説明は、考慮された遷移の種類を示しています。

間接的に許可された遷移の場合は n = 2 (h)1/2 対 E としてプロット)、間接的な禁止遷移の場合は n = 3 (h)1/3 対 E としてプロット)、直接の禁止遷移の場合は n = 3/2遷移、および直接許可された遷移の場合は n = 1/2。 (Eg はバンドギャップ (eV)、h はプランク定数 (Js)、B は吸収定数、v は光の周波数 (s-1)、(α) は F に比例する消光係数を表します。(R)吸収スペクトルの最良の線形近似を使用して、いくつかの式を使用して特定の遷移の n 値を実験的に計算できます。

価電子帯の最大値に達する伝導帯の下では、Gd d 状態が見られました。 La2Zr2O7 の La d 状態は、バンドギャップの方向に伸びる Gd d 状態に接続されています。 Gd16Zr16O56 系では、価電子帯は主に O p 状態によって寄与されますが、伝導帯は Zr d 状態によって生成されます。 Gd d 状態は、価電子帯と伝導帯に部分的に結合し、部分的にバンドギャップが現れます。 La/Gd 濃度の変化による La2Zr2O7 および Gd2Zr2O7 の熱伝導率の変化 36。

図 8 は、溶液の波長依存性吸光度 (591 nm) に関する情報を使用して、精製プロセス中にクリスタル バイオレット溶液の濃度を計算するために使用される最終検量線を示しています。

クリスタルバイオレット溶液の検量線。

結論的な方程式は次のとおりです。

可視分光光度計の測定結果によると、浄化時間が長くなるにつれて汚染水（クリスタルバイオレット溶液）の吸光度スペクトルが増加することがわかりました。 クリスタル バイオレット 溶液から、既知の濃度 1、2、3、…、10 ppm が生成されました。 可視分光光度計を使用してそれらの吸光度スペクトルを測定することにより、それらの濃度の検量線が作成され、図 9 に示すように、それらの吸光度を使用して精製手順から生じる未知の量を計算するための方程式が作成されました。

(a)H2O2 のみ、H2O2 を含まない 0.05 gm の Gd(2−x)La(x)Zr2O7 で処理後のクリスタル バイオレットの 10 ppm 溶液の吸光度 (c) x = 0.1、(g) x = 0.2、(k) ) x = 0.3、(o) = 0.5、また H2O2 の場合、(e) = 0.1、(i) = 0.2、(m) = 0.3、(q) = 0.5、(b–r) は濃度換算 C/C0対分解プロセスの時間。ここで (s) は結合されたデータの数字です。

クリスタルバイオレット溶液（10ppm）を使用し、0分から90分の間で15分間隔で光触媒テストを実施しました。 Gd(2-x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子は、過酸化水素溶液 (32 ワット) にさらすことで精製するフェントン様反応の触媒として利用されました。 表 3 に示すように、光分解またはフェントン様反応によるクリスタル バイオレットの脱色について、多くの材料を使用してさまざまな研究が行われており、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子はこれらの材料と比較して優れた効率であることが証明されました。

私たちの検討によれば、光触媒プロセスにおいて Gd(2−x)La(x)Zr2O7 が同じ組成で使用されたことがないことは注目に値します。 文献調査によると、G2Zr2O7を主成分とした本研究とは異なり、La2Zr2O7をベースにガドリニウムを置換した、本研究で用いた元素と同じ元素を用意し、組成が異なる研究が2種類以上存在します。ベース。 さらに、この組成は水の浄化プロセスでは使用されておらず、これは、私たちの研究が光触媒プロセスで同じ方法で Gd(2−x)La(x)Zr2O7 を使用した最初の研究の 1 つであることを示しています 37,38 。

精製手順は、ガドリニウムジルコニウム酸化物のみ、再び過酸化水素のみを使用して同一条件下で実行され、次にそれらの両方を、50 mlのクリスタルバイオレット溶液中の1 mlの過酸化水素および0.025 gのパイロクロアと組み合わせました。 パイロクロア単独でもかなりの効率を示し、この効率は過酸化水素と組み合わせることで増加することが観察されました。 彼らは、クリスタル バイオレットの急速な分解を示し、90 分以内に濃度 10 ppm から 0 ppm に変化しました。 他の研究と比較すると、ほとんどの研究では廃水処理プロセスで同じ割合の光触媒が使用されていました39。

表 2 は、精製プロセス中のクリスタル バイオレット溶液 (50 ml) の濃度または相対濃度 (C/C0) の変化の値を示しています。 光触媒プロセスは 3 つの並行カテゴリーで実行されています。 最初の実験には、1 ml の過酸化水素 (H2O2) のみを使用したクリスタル バイオレット溶液 (50 ml) の光触媒作用が含まれていました。 2 番目の実験では、過酸化水素に加えて Gd(2-x)La(x)Zr2O7 パイロクロアを使用しました。 最後の実験は、Gd(2-x)La(x)Zr2O7 パイロクロアのみを使用して実行されました (Gd(2-x)La(x)Zr2O7 ナノ粉末)。 さらに、これらのカテゴリはすべて、分析のためにサンプルが 15 分ごとに採取される紫外線の影響下で進行しました。

光触媒効率は考慮すべき重要なパラメータです。 Gd(2-x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子単独による光触媒作用の場合、表 2 の相対濃度 (C/C0) の値に従って平均効率が証明されました。

過酸化水素に加えてパイロクロアを用いた触媒の場合は若干解釈が異なり、フェントン様反応と呼ばれるプロセスで行われ、この場合は過酸化水素が必須となります。 過酸化水素単独による精製の状況と同様に、このケースは、その高い有効性と、同様に 90 分近い時間内で除去率がゼロに近づくことを特徴としています。 表面的には、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 パイロクロアは、パイロクロアの有無にかかわらず同じ割合が得られる限り何の機能も持たないように見えるかもしれませんが、実際はかなり異なります。 相対濃度の値によると、90 分の精製期間の終了時点でほぼ同じ効率が得られたとしても、過酸化水素を使用したパイロクロアの場合の精製プロセスの効率は、過酸化水素単独よりも優れています5。 したがって、パイロクロアと過酸化水素を含むフェントン様アプローチの効率は、プロセスの開始時にパイロクロアのみを使用した場合よりも高いことが判明した。 さらに、汚染物質 50 ml あたり最大 0.025 g という非常に低濃度のパイロクロアを使用しました。 このパーセンテージが増加すると、精製プロセスが加速されます。 したがって、フェントン様反応を利用することにより、分解プロセスにおけるパイロクロアの効率が証明されています (表 3)。

これに関連して、光触媒法は電子/正孔ペア (e-/h+) の分離によって特徴付けられ、光生成キャリアの分離は結晶相、ナノ粉末のアスペクト比、ファセットの電子構造、および欠陥。 反応式は (6) ～ (19) は、クリスタル バイオレット色素 40 の光触媒分解のメカニズムを表すために使用できます。

光生成された VB (h+) ナノ粒子は、H2O または OH- と結合して、評価された活性を伴う次の反応を介して OH・を形成し、間接的に色素分子を崩壊させます 41。

(Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子の表面にはヒドロキシル基、水、酸素が存在するため、伝導帯の電子 (e−) は (Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子) に吸収された種と反応します。 (2−x)La(x)Zr2O7表面では、フリーラジカルが発生してO2・−が発生し、その後のステップによりOH・ラジカルが発生します。

最後に、生成された薬剤は染料汚染を分解しました。

H2O2 を光触媒と組み合わせて使用​​すると、水から有害な有機種を除去するのに効果的であることがわかっています。 H2O2 は、電子正孔対の表面再結合を妨げ、ヒドロキシル ラジカルの生成を刺激する可能性があります5。

H2O2 は、光触媒システムにおける価電子帯の正孔および伝導帯の電子との反応により、・OH および・O2 ラジカルの濃度を上昇させます。 H2O2 は、・OH、HO2・、または・O2 ラジカルと反応して、さらなるラジカルを生成します (式 20-25)。 酸化種は互いに相互作用するか、酸化種が生成する穴と相互作用して O2 を生成します (式 26、27)。 さらに、H2O2 への UV 光の曝露により、ヒドロキシルラジカルが形成されます (式 28)。

大きな違いは主に、活性部位をその場で加熱して H2O2 活性化障壁を下げる光誘起熱エネルギーに由来します 44。

要約すると、酒石酸を燃料としたゾルゲル自己燃焼アプローチを使用して、可変の Gd/La 比を持つ Gd(2−x)La(x)Zr2O7 の調製に成功しました。 La 置換 Gd2Zr2O7 ナノ粉末は欠陥のある蛍石相中に存在しました。 合成されたナノ粒子の結晶子サイズは 28.5 ～ 39.2 nm であることがわかりました。 単位セルの体積は 1.2 × 10-21 cm3 であることがわかりました。 Gd(2−x)La(x)Zr2O7 の粒径は La3+ イオン含有量の増加とともに増加した。 合成された粒子のほとんどは立方体状の構造を示します。 拡散反射スペクトルにより、合成粒子の透過性が高いことが確認されました。 合成された Gd(2−x)La(x)Zr2O7 サンプルのバンドギャップ エネルギーは (4〜3.6 eV) であることがわかりました。 最後に、Gd(2−x)La(x)Zr2O7 と H2O2 の相乗効果により、クリスタル バイオレット染料などの有機汚染物質の分解に向けて、コスト効率の高い方法と短時間で高効率の高度な酸化反応が実現しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータがこの記事に含まれています。

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科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。

ニュー・マンスーラ大学理学部、インターナショナル・コースタル・ロード、ニュー・マンスーラ市、ダカリア、エジプト

M. アブデルバキー

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AM アブデルガニー

マンスーラ大学理学部物理学科、マンスーラ、35516、エジプト

AH オラビー & EM アブデルラゼク

電子および磁性材料部門、先端材料研究所、中央冶金研究開発研究所 (CMRDI)、私書箱 87、ヘルワン、11421、カイロ、エジプト

MM ラシャド

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MA は研究を計画し、実験を実施しました。 AMA は調査と設計を改訂しました。 AHOとEMAは調査を修正した。 MR は結果を最初から議論し、研究を最終的な形に修正しました。 著者全員がこの原稿を出版することに同意しました。

M. アブデルバキー氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アブデルバキー、M.、アブデルガニー、AM、オラビー、AH 他。 Gd(2−x)La(x)Zr2O7 ナノ粒子に基づく光フェントンプロセスによるクリスタルバイオレット汚染物質の効果的な除去。 Sci Rep 13、7723 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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受信日: 2023 年 2 月 5 日

受理日: 2023 年 5 月 9 日

公開日: 2023 年 5 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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