TiO2@zeolite 하이브리드 재료의 표면 및 전기적 특성 평가

Jan 06, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3650(2023) 이 기사 인용

수성 매체의 오염 물질 분해는 환경과 인간 건강에 미치는 영향으로 인해 높은 관심을 받고 있으므로 수질 정화용 광촉매의 물리화학적 특성에 대한 설계 및 연구는 매우 중요합니다. 광촉매의 특성 중 표면 및 전기적 메커니즘과 관련된 특성은 광촉매 성능에 매우 중요합니다. 여기서 우리는 X선 광전자 분광법(XPS)과 주사 전자 현미경(SEM)을 각각 사용하여 TiO2@zeolite 광촉매의 화학적 및 형태학적 특성을 보고하고, 보조 레이저 임피던스 분광법(ALIS)에서 얻은 데이터를 기반으로 일관된 전기 전도 메커니즘을 제안했습니다. ), 재활용된 석탄 비산회로부터 제올라이트를 합성했습니다. SEM과 XPS로 얻은 결과는 Ti3+ 상태의 TiO2 아나타제 구형 입자의 존재를 확인했습니다. ALIS 결과는 TiO2의 양이 증가할 때 전체 시스템의 임피던스가 증가하고 용량성 성능이 낮은 샘플이 고체-액체 계면 사이의 전하 이동을 더 크게 허용한다는 것을 보여주었습니다. 모든 결과는 8.7wt% 및 25wt%의 TiO2를 함유한 수산화소달라이트에 비해 TiO2 성장의 더 높은 광촉매 성능이 주로 TiO2의 형태와 기질-TiO2 사이의 상호작용 측면에서 설명될 수 있음을 보여주었습니다.

염료 중 아조 화합물은 식품 및 섬유 산업에서 널리 사용되며, 해당 산업에서 발생하는 폐수 중 상당량이 환경으로 배출되어 인간과 수생 생물에 위험을 초래합니다1,2. 염료의 화학적 안정성이 높기 때문에 불균일 광촉매를 사용하는 고급 산화 공정을 통해 이러한 종류의 폐수를 정화할 수 있습니다3. 광촉매 중 TiO2는 높은 산화효율, 화학적, 생물학적 불활성, 높은 광안정성, 다른 제품에 비해 생산 및 사용의 용이성, 상대적으로 저렴한 가격, 환경 친화적4,5; 따라서 TiO2는 광촉매 공정을 개선하기 위한 기본 물질로 사용되어 왔으며 여전히 연구되고 있습니다6,7,8,9,10,11,12,13. TiO2의 성능을 향상시키기 위해 TiO2와 기판의 특성을 모두 사용하는 하이브리드 재료를 생성하는 적절한 기판 위에 성장 및 분산됩니다. TiO2를 고정화하는 데 사용되는 기판 중 하나는 산소 원자를 통해 연결된 TO4(T = Si, Al) 사면체 단위로 구성된 수화된 알루미노규산염인 제올라이트입니다. 그들은 채널로 상호 연결된 분자 차원의 내부 공동과 기공을 가진 3차원 구조를 생성합니다. Al(+3) 이온과 Si(+4) 이온의 산화 상태 차이로 인해 음전하가 나타나며, 이는 교환 가능한 양이온(Na+, K+, Ca2+, Mg2+)과 흡착된 물 분자에 의해 중화됩니다. 구조물의 채널이나 케이지에 배치됩니다. 제올라이트는 천연 또는 합성 기원이며 농업16, 건강17, 탄화수소18 및 오염 처리19와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 합성 제올라이트는 유리 및 알루미늄 스크랩20, 석탄 비산회(CFA)21, 리튬 폐기물22, 왕겨23 등의 폐기물로부터 주로 수열법으로 합성할 수 있습니다. TiO2@zeolite 물질에 의해 오염 물질을 분해하는 광촉매의 능력은 전자-정공 쌍의 특성에 기인하며, TiO2에 의한 빛의 흡착으로 촉진되어 수성 매질에서 자유 라디칼, 아조 염료와 같은 유기 화합물을 산화시킬 수 있는 라디칼을 생성합니다4, 5. TiO2의 광촉매 효율은 생성된 자유 라디칼의 수에 따라 달라지며, 이는 주로 흡착 능력과 전자-정공의 재결합에 의해 영향을 받습니다. 제올라이트 내 TiO2의 분산은 재결합 전자-정공 속도의 감소와 같은 TiO2의 문제점을 해결하고 흡착을 증가시키며 액체 용액으로부터의 회복을 촉진합니다24. 문헌 검토에 따르면, TiO2@zeolite의 하이브리드 물질 생산은 주로 상업용 제올라이트를 사용하여 보고되었습니다25,26,27,28; 그러나 석탄 비산회에서 합성된 제올라이트를 사용하여 TiO2@zeolite를 생산하는 것과 관련된 문헌은 부족하며24,29 결과적으로 해당 물질의 광촉매 응용과 관련된 메커니즘에 대한 이해가 여전히 부족합니다.