Кинетическое и термодинамическое исследование пьезодеградации метиленового синего нанокомпозитами SbSI/Sb2S3, стимулированными шариками оксида циркония

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 15242 (2022) Цитировать эту статью

1380 Доступов

5 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Сбору механической энергии с помощью пьезоэлектрических материалов для запуска реакций катализа уделяется большое внимание в вопросах восстановления окружающей среды. В данной работе в качестве катализатора были синтезированы нанокомпозиты SbSI/Sb2S3. Шарики ZrO2 впервые использовались в качестве механической силы, альтернативной ультразвуковой, для стимуляции пьезокатализатора. Глубоко изучены кинетика и термодинамика пьезодеградации метиленового синего (МБ). Кроме того, было изучено влияние типа механической силы, количества шариков ZrO2 и температуры реакции на эффективность разложения. Здесь механическая энергия исходила от столкновения шариков ZrO2 с частицами катализатора. Использование шариков ZrO2 вместо ультразвуковой вибрации привело к повышению эффективности разложения на 47% при 30 ± 5 °C. Кинетическое исследование показало, что пьезоразложение метиленового синего (МБ) под действием катализатора SbSI/Sb2S3 протекает по кинетике псевдовторого порядка. Согласно термодинамическим результатам, пьезодеградация МБ оказалась экзотермической реакцией.

Разработка альтернативных чистых и устойчивых источников энергии вызывает интенсивный исследовательский интерес в борьбе с загрязнением окружающей среды и энергетическим кризисом. Материалы, которые могут собирать и преобразовывать солнечную или механическую энергию, в последние годы широко исследовались как новая форма чистой энергии1,2,3,4,5,6,7,8. Пьезоматериалы считаются интересным классом материалов, которые могут собирать и преобразовывать механическую энергию в электрическую или химическую энергию9,10,11,12. В этом сценарии, когда пьезоматериал подвергся приложенной деформации, вызванной механической силой, пьезоэлектрический потенциал сместит уровни электронной энергии незанятых или занятых состояний внутри материалов. Другими словами, это снижает зону проводимости (CB) пьезоматериала до уровня ниже самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) молекулы пьезоматериала. Следовательно, электроны могли переходить из ВЗМО молекул в ЦП пьезоматериала13,14,15,16,17. В прошлом пьезоматериалы в основном использовались в качестве датчиков, преобразователей и в электронной промышленности18,19,20. Недавно было найдено новое применение — пьезокатализ. До сих пор антибактериальные свойства и расщепление воды достигались с помощью пьезокатализа. Совсем недавно пьезокатализ стал применяться в качестве средства очистки для разрушения загрязнителей воды, что является одной из самых серьезных экологических проблем для человека, поскольку некоторые из этих загрязнителей хорошо растворимы и химически стабильны. Для этой цели были разработаны различные типы материалов, такие как 1D и 2D вюрцит ZnO и BaTiO321,22. Например, в 2019 году Цянь и др. сообщили о разложении ~ 94% красителя родамина B (RhB) при использовании композита титанат бария (BaTiO3, BTO)–полидиметилсилоксан23. Позже в 2020 году Раджу и др. применил композит поливинилиденфторид/ZnSnO3 Nanocube/Co3O4 для обработки RhB и метиленового синего (MB)24. Сюй и его коллега разложили более 97% RhB, используя композит Bi0,5Na0,5TiO3@TiO225.

Использование пьезокатализа для восстановления окружающей среды имеет преимущества по сравнению с другими методами, такими как фотокатализ26, адсорбент27 и процесс Фентона28. Например, фотокатализ работает только при свете. Кроме того, необходимы полупроводники с широкой запрещенной зоной, чтобы избежать рекомбинации зарядов носителей. Использование широкозонного катализатора требует фотонов высокой энергии, а материал обычно более дорогой29,30,31,32,33,34.

Недавно в нескольких статьях был опубликован механизм разложения загрязняющих веществ пьезоэлектрическими материалами. Например, мы применили наноструктуры PbTiO3 для обработки кислотного красного 143 и кислотного фиолетового в воде. Мы изучили возможный механизм с использованием поглотителей радикалов и предположили, что свободные радикалы ответственны за разложение органических загрязнителей35. Позже в 2021 году Лин и др. сообщили об использовании нанокубов BaTiO3 в качестве пьезокатализаторов для очистки органических загрязнителей и предположили тот же механизм36. Хотя несколько групп пытались изучить возможный механизм этого явления, кинетика разложения органических загрязнителей пьезоэлектрическими материалами изучается редко. Например, Лей и др. изучали кинетику пьезокаталитического разложения дихлорфенолов с использованием двумерного графитового нитрида углерода. Они сообщили, что разложение дихлорфенолов имеет кинетику псевдопервого порядка37. Однако термодинамика, влияние температуры и величины приложенной силы на кинетику пьезокаталитической деградации загрязнителя еще не обсуждались. Кроме того, в предыдущих отчетах в качестве источника механической силы использовалось ультразвуковое воздействие, а для создания механических сил мы использовали циркониевые шарики. Здесь мы приготовили пьезокатализатор сонохимическим и гидротермальным методом. Затем мы изучили соответствующую кинетику при различных температурах 293 К, 303 К и 313 К и при различных механических силах. Наконец, мы изучили термодинамику разложения.