メタノールベースの廃水の光触媒酸化のための窒素ドープ TiO2/Fe2O3 ナノ構造の作製

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4431 (2023) この記事を引用

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熱化学または光化学を使用して不均一系触媒の表面で頻繁に行われる重要な工業プロセスは、メタノールベースの廃水のホルムアルデヒドへの酸化に役立つ可能性があります。 チタニアベースの光触媒は、光エネルギーの存在下で光触媒酸化プロセスを行うための信頼性が高く、手頃な価格の触媒材料であるため、科学者から多くの関心を集めています。 この研究では、n-TiO2@α-Fe2O3 複合光触媒とヘマタイト (α-Fe2O3) ナノキューブを製造するための単純な水熱法が行われました。 調製した複合光触媒中のn-TiO2の比率を調整することにより、調製した材料の光触媒特性に対する窒素ドープチタニアの増強影響を調査した。 準備された材料は、透過型電子顕微鏡 (TEM)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、X 線回折 (XRD)、エネルギー分散型 X 線 (EDX)、X 線光電子分光法 (得られた結果は、窒素ドープ チタニアがメタノール光酸化において非ドープ チタニアよりも優れていることを示しました。 それらの表面に窒素をドープしたチタニアを添加すると、ヘマタイトと結合したメタノールの光酸化速度がさらに大幅に向上しました。 廃水中のメタノールの濃度をシミュレートするために、水溶液中のメタノールの光酸化が発生しました。 3 時間後、4 重量パーセントの n-TiO2@α-Fe2O3 光触媒が最も高い HCHO 生成率を示しました。

芳香族化合物、石油ベースの材料、塩素化炭化水素、殺虫剤、殺虫剤、揮発性有機化合物 (VOC)、染料、その他の有機材料などの水質汚染物質を、高度な酸化プロセス (AOP) を使用して除去することは、環境に優しい方法です1。 それらは主にヒドロキシルラジカルのような活性酸素種の生成に依存しているため、寿命が短いです。 その結果、それらは、分解が難しいさまざまな化学種と迅速かつ積極的に相互作用します1。 さらに、AOP は、難分解性有機汚染物質の濃度を効果的に低減できる有望な技術として、多くの種類の廃水の処理に使用されており、生成される酸化生成物 (二酸化炭素、水、生分解性有機物など) は熱力学的に安定しています。他の従来のアプローチよりも優れています2。 AOP には、光触媒が太陽光を集めるために不可欠な光触媒プロセスが含まれています 3,4。 そして、さまざまな太陽スペクトル範囲の存在下で、これらの光触媒は、環境汚染やエネルギー危機に関連する問題に対処するためにうまく使用されてきました3,4。

有機化合物の CO2 への光触媒酸化については、5 のような多くの研究が行われています。 最近、多くの新しいナノ粒子が環境用途のために製造されています6。 ナノ触媒と光触媒で同時に最も人気があるのはチタン (TiO2) です。これは、チタン (TiO2) が容易に入手でき、さまざまな反応設定下で安定しているためです7。 紫外線のみによって誘発されることは、TiO2 の最大の欠点の 1 つです。 より少ないエネルギーで太陽放射と可視光を利用できる光触媒が望まれています。 バンドギャップエネルギーが 2.8 eV の酸化タングステン (WO3) は、青色光 (500 nm) によって光活性化でき、光触媒として TiO2 の適切な代替品です。 すべての光触媒の場合と同様に、触媒速度を上げるには、電子と正孔の電荷分離を強化する必要があります。 十分なエネルギーを持った光は、WO38,9 や TiO2 などの金属酸化物光触媒に吸収され、バンドギャップ励起と触媒反応を担う反応性電子 (e-) と正孔 (h+) の生成を引き起こします10。