Исследование фотокаталической активности наночастиц BiFe1-xMnxO3 в разложении метиленового синего

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ханойский индустриальный университет, Ханой, Вьетнам

Исследование фотокаталической активности наночастиц BiFe1-xMnxO3 в разложении метиленового синего

Лыу Тхи Ньян

В настоящее время фотокаталитические материалы с возможностью обработки окружающей среды представляют собой большой интерес исследователей. Ранее основным исследованным фотокаталитическим материалом был TiO2 с такими преимуществами, как недорогой, менее токсичный, высокая фотохимическая стойкость и т. д. Однако этот материал имеет недостатки - это фотокаталитическая активность TiO2 низка в области видимого света из-за большой ширины запрещенной зоны (~ 3,2 эВ) и ее трудно восстановить для повторного использования. Поэтому, исследование приготовления новых фотокаталитических материалов с энергией запрещенной зоны менее 3 эВ представляет собой большое внимание ученым. Одним из таких материалов является феррит висмута - BiFeO3 (BFO).

Феррит висмута BFO, является одним из наиболее известных сегнетомагнетиков - материалов, одновременно сочетающих магнитные и сегнетоэлектрические свойства [1], [2]. Эти материалы перспективны для новой области квантовой электроники - спиновой электроники, основанной на транспорте спин-поляризованных электронов, сенсорной техники, магнитной памяти [3], [6]. С другой стороны, наночастицы BFO также показывают хорошую фотокаталитическую активность в области видимого света из-за узкой ширины запрещенной зоны (2,1-2,7эВ) [7]. Такие материалы могут использоваться в качестве новых фотокаталитических материалов, реагирующих на видимый свет, для разложения органических загрязнителей или для образования H2 из воды [8].

В последние годы исследовательское направление очень заинтересовано в легировании редкоземельных элементов или 3d-групп в нанообразцах BFO для улучшения электромагнитных свойств, улучшения фотокаталитической способности, легкого восстановления и повторного использования. Однако, оптические свойства сегнетомагнитных материалов на основе BiFeO3 слабо исследованы как экспериментально, так и теоретически. В представленной работе описывают результаты исследования фотокаталической активности наночастиц BiFe1-xMnxO3 в разложении метиленового синего (MB).

Образцы и методика измерений

Обектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFe1-xMnxO3, синтезированые золь-гель методом с использованием нитрата висмута Bi(NO3)3.5H2O (чистота ? 99%), нитрата железа Fe(NO3)3.9H2O (чистота ? 98,5%), моногидрат лимонной кислоты C6H8O7.H2O (чистота ? 99, 5%), раствора нитрата марганца Mn(NO3)2 50% и NH3 (NH4OH). Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени.

В спектре излучения солнечного света энергия ультрафиолетового излучения составляет всего около 8%, а энергия излучения видимого света составляет 48% от общей энергии. Поэтому изучение использования энергии света видимой области в фотокаталитическом процессе очень необходимо, поскольку возможно использовать источник солнечного света для процесса реакции. В этой работе по оценке фотокаталитической способности полученных образцов мы использовали источник света, подобный солнечному свету.

Раствор метиленового синего (MB) и образцы подают в реакционную камеру, освещают видимым светом и перемешивают реакционную систему магнитной мешалкой во время испытания. После реакции определяли концентрацию MB, и рассчитывается эффективность разложения метиленового синего образцов.

Чтобы определить концентрацию MB в растворе после разложения, мы строим калибровочную кривую метиленового синего в диапазоне концентраций 0 мг/л - 10 мг/л.

Смесь после фотокаталитической обработки отфильтровывает раствор. Фотометрические измерения определяют спектры поглощения раствора MB после использования катализатора. Из калибровочной кривой рассчитывают оставшуюся концентрацию MB после фотокаталитического разложения.

Эффективность разложения MB образцов рассчитывается следующим образом:

(1)

где:

H: Эффективность разложения MB образцов (%)

Co: Концентрация MB до реакции (мг/л)

Cf: Концентрация MB после реакции (мг/л)

Экспериментальные результаты и обсуждений

Порошки BiFe1-xMnxO3 с соотношением х = 0%, 5% и 7,5% успешно получили. Результаты исследования влияния концентрации Mn на фазоформирование, размеры и оптические свойства наночастиц BiFe1-xMnxO3 показаны в [9]. Так же в [9] мы определяли ширины запрещенной области полученных образцов. Результаты показанны на таблице 1.

Таблица 1 - Ширина запрещенной зоны наночастиц BiFe1-xMnxO3

И так, исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Mn уменьшило ширину запрещенной зоны [9]. Это увеличивает фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практичным.

В этой работе мы выбрали только образцы BiFeO3, BiFe0,95Mn0,05O3 для исследовании фотокаталической активности полученных образцов в разложении метиленового синего, потому что, в [9] было показано, что микроскопическая структура исследуемого образца BiFe0,925Mn0,075O3 является неоднородной по форме и размеру.

Образцы BiFeO3, BiFe0,95Mn0,05O3 и раствор MB с начальной концентрацией C0 были добавлены в фотокаталитическую систему для проведения реакции. Полученные смеси освещались видимым источником света в течение 2 часов. Результаты исследования способности разлагать раствор MB образцов с течением времени показаны на рисунке 1.

Рис. 1 - Спектры поглощения нанопорошка Bi1-xMnxFeO3 при освещении видимым светом в течение 2ч.

Рис. 2 - Спектры поглощения нанопорошка Bi1-xMnxFeO3 при освещении видимым светом в течение 24ч.

Видно, что эффективность разложения метиленового синего BiFeO3 и BiFe0,95Mn0,05O3 при освещении видимым светом: не сильно отличается.

При увеличении времени освещения видимым светом до 24 часов и 48 часов эфективность разложения MB материала BiFeO3 и BiFe0,95Mn0,05O3 увеличивает. Полученые результаты показаны на рисунке 2, рисунке 3.

Рис. 3 - Спектры поглощения нанопорошка Bi1-xMnxFeO3 при освещении видимым светом в течение 48ч.

Рис. 4 - Зависимость эффективности от времени разложения MB образцов BiFeO3 и BiFe0,95Mn0,05O3 при освещении видимым источником света

наноразмерный кальцинирование температура фотокаталитический

На рис. 4. показана зависимость эффективности от времени разложения MB образцов BiFeO3 и BiFe0,95Mn0,05O3 при освещении видимым источником света.

Видно, что полученые образцы показывают способность разложения метиленового синего. При легировании Mn эффективность разложения метиленового синего увеличивается. Однако, эффективность в этой работе намного меншье чем результат исследования других исследователей [10], [11]. Чтобы повысить эффективность разложения, необходимо продолжить изучение большего количества факторов, влияющих на фотокаталитическую активность материала: морфология частиц, размер частиц, условия синтеза образца, рН, …. Мы продолжим изучение по этому вопросу в ближайшее время.

Заключение

Таким образом, полученые результаты показывают, что наночастицы BiFe1-xMnxO3 в этой работе дает способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Список литературы

1. Смоленский Г.А. Успехи физических наук / Г.А Смоленский, И.Е. Чупис. - 1982. - Т. 137. - № 3. - С. 415 -

2. Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.К. Звездин, А.П. Пятаков. - 2012. - Т. 182. - № 6. - С. 593-620.

3. Eerenstein Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. - 2006. - Vol. 442. - P.759 - 765.

4. Ramesh R. Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Mater / Ramesh, N.A. Spaldin.. - 2007. - Vol. 6. - P. 21.

5. Catalan G. Physics and Applications of Bismuth Ferrite // Mater / G. Catalan, J.F. Scott.. - 2009. - Vol. 21. - P. 2463.

6. Пятаков А.П. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.П. Пятаков, А.К. Звездин. - 2012. - Т. - С. 593.

Аннотация

Объектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFe1-xMnxO3, синтезированые золь-гель методом. Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени. Исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Mn уменьшило ширину запрещенной зоны (от 2,11 эВ до 1,94 эВ). Это увеличит фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практическим. Полученые результаты показывают, что наночастицы BiFe1-xMnxO3 в этой работе дает способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Ключевые слова: феррит висмута, мультиферроик, спектр поглощения, фотокаталитическая активность, метиленоый синий.

The nanosized multiferroic powders BiFe1-xMnxO3, synthesized by the sol-gel method, are the studied objects. The samples are calcined at appropriate temperatures and within a given period. A study of the absorption spectra in the UV-visible area of the fabricated samples showed that doping with Mn reduces the bandgap (from 2.11 eV to 1.94 eV). This will increase the photocatalytic activity of the BFO material system, which will make the application more practical. The results obtained show that BiFe1-xMnxO3 nanoparticles in this work provide the possibility to decompose methylene blue. When doping Mn in BFO, the decomposition efficiency increases. However, this efficiency is not high.

Keywords: bismuth ferrite, multiferroic, absorption spectrum, photocatalytic activity, methylene blue.

Размещено на Allbest.ru