コの興味深い物理化学的特性と影響

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7595 (2023) この記事を引用

512 アクセス

8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ZnS ナノワイヤを備えた超常磁性 N ドープ酸化グラフェン (GO) は、水処理および生物医学用途向けに、希薄量の Ga、Cr、In、Al イオンをドープするワンステップ水熱法によって合成されました。これらの実験では、特性を強化するために、これらの ZnS ナノワイヤに 2% の Cr イオンとともに 2% の Ga3+、In3+、または Al3+ が共ドープされました。 In0.02Cr0.02Zn0.96S という組成のナノ複合材料は、他の共ドープされたナノ複合材料よりも光触媒効率が優れています。 In (半金属) と Cr (遷移金属イオン) は、光触媒活性に有益な磁気特性を高めるための最良の組み合わせです。合成されたナノ複合材料は、X 線回折、EDAX を備えた電界放射型走査型電子顕微鏡 (FESEM)、振動サンプル磁力計 (VSM)、UV-Vis、X 線光電子分光法 (XPS)、蛍光分光法などのいくつかの技術によって特性評価されました。。興味深い磁気特性と光触媒特性の相関関係についても説明します。 XPS は、表面欠陥、相変態、ナノ複合材料に存在する化学成分の性質の検出に使用されました。フランケル欠陥と置換欠陥は、蛍光 (FL) 分光法から測定される光触媒活性に直接影響します。 FL と XPS は、Cr と Ind を共ドープした複合材料の欠陥の割合が高いため、その光触媒効率が 94.21% に達することを明らかにしました。

過去 10 年にわたり、酸化グラフェン (GO)1、2、3、4、5、および 3D 金属または希土類金属、非金属、半金属の共ドーピングは、引張強さ、可動性、導電性、バンドギャップ、柔軟性、熱的および化学的安定性、ヤング率、光学的透明性、高い導電性、生産に望ましいなど、産業に適用可能な物理的特性。6、7。硫化亜鉛 (ZnS) は II-VI 族半導体光触媒であり、ナノスケールでいくつかの形態で現れ、優れた物理的特性を示し、また独特の光触媒特性を有するため、広く研究されてきました。しかし、ZnS における Cr3+ イオンによる共置換に関する文献はほとんど報告されていません 8,9。 Cr (VI) は重金属で毒性も高いのに対し、Cr (III) は無毒で人間にとって有用です。したがって、それに加えて、より多くの太陽エネルギーを利用するために、酸化グラフェンナノシートを使用して純粋な ZnS のバンドギャップを紫外領域から可視領域に調整しました10。 TiO2 は最も一般的に使用されるナノ構造材料です11。ただし、環境用途では、純粋な ZnS は光キャリアの生成において TiO212 よりも理論上の効率が高くなります。さらに、共置換半導体のナノ結晶は、純粋なナノ結晶材料と比較して、新たな技術用途を付与する優れた能力を有し、多様な特性において有益である。共置換は、光触媒の特性を改善するために使用されるホストナノ結晶に単一の金属/非金属/半金属をドーピングするよりも効果的なツールであることが明確に裏付けられました13。原理的には、金属硫化物やグラフェン金属硫化物ナノ複合体の形態、構造欠陥、表面欠陥は、輸送特性、化学的および熱的安定性、励起子運動の制御に重要な役割を果たします。 Suvanka Dutta et al.14 と Gajendiran et al.15 は、サンプルの均質性や単結晶サンプルよりも、調製サンプルの混合形態の特性が最も重要であると報告しました。

表 1S (EIS) に示したデータから、共ドープ ZnS の方が単一金属ドープ ZnS ナノ材料よりも優れた結果が得られることは明らかです。本研究では、2% Ga3+/In3+/Al3+ イオンと 2% Cr3+ イオンの共ドーピングが GO で装飾された ZnS ナノワイヤとその光触媒特性に及ぼす影響に焦点を当てています。 ZnS格子へのメタロイドの共ドーピング後、より高い光触媒色素分解効率につながるより多くの欠陥が形成され、光触媒活性の効率に対する欠陥の直接的な影響が詳細に議論されています。

本研究では、GO ナノシートを光触媒活性の応用に使用しました。合成手順は、さらなるアニーリングプロセスを行わずに、以前の出版物16に従って行われました。 GOは石炭石から調製することに成功した。 GO粉末を脱イオン水に溶解した後、チオウラを前述の溶液に1:2の比率で加えた。この溶液に３０分間の超音波処理を施した。サンプルをステンレス鋼製オートクレーブに入れ、超音波処理した後密封した。密閉したオートクレーブを 90 °C の炉内に 3 時間保持しました。オートクレーブを室温まで冷却し、溶液を濾過し、脱イオン水で数回洗浄し、室温で乾燥させた。次に、最終生成物は、60 °C で乾燥された N-ドープ GO でした17,18,19。

酸化グラフェンは、水熱技術を使用して調製された 2% Ga3+/In3+/Al3+ イオンと 2% Cr3+ イオンを共置換した ZnS ナノワイヤで装飾されています。チオ尿素の分解によって形成される沈殿アニオンとして S2- を含む、Zn、Cr、Ga、In、および Al 塩化合物の均質な溶液。 GZ (GO:ZnS) ナノワイヤは、1 M 酢酸亜鉛二水和物、3 M チオ尿素、および 0.2 g の酸化グラフェンを使用して調製され、各ビーカー内の 15 ml の脱イオン水と 15 ml のエチレンジアミン (1:1) に別々に溶解されました。酢酸亜鉛二水和物溶液をマグネチックスターラー上に置き、１００％透明な溶液になるまで絶えず撹拌した。同じ手順を各溶液に適用しました。均一な溶液が形成された後、最初のチオ尿素を酢酸亜鉛溶液に添加し、２０分間撹拌し、次いで酸化グラフェン溶液を上記の溶液に添加した。アンモニアを滴下してｐＨを１０に維持しながら、溶液を２時間絶えず撹拌した。均質な溶液をテフロンで裏打ちされたステンレス鋼オートクレーブに移し、注意深く密封した。密閉したオートクレーブをマッフル炉内で 190 °C で 12 時間保持しました。この系を室温まで冷却し、形成された沈殿を濾過し、脱イオン水およびエタノールで数回洗浄した。洗浄した沈殿物を室温で乾燥させた後、60℃で一晩焼成した。ナノ複合材料の調製には、０．９６Ｍの酢酸亜鉛二水和物、０．０２Ｍの塩化ガリウム／塩化インジウムおよび塩化アルミニウム、０．０２Ｍの塩化クロム、および３Ｍのチオ尿素を使用した。前述の手順は、2% Cr3+ を含む 2% Ga3+/In3+/Al3+ で置換された酸化グラフェン修飾 ZnS ナノワイヤに対して行われました。酸化グラフェン (GO) で装飾された ZnS ナノワイヤは GZ、4% Cr ドープ GZ は GZ:Cr、GZ 内の 2% Ga3+/In3+/Al3+ および 2% Cr3+ イオンが共置換されたものは GZ:Cr-Ga、GZ:Cr と呼ばれます。 -In と GZ:Cr-Al です。

この原稿の研究や実験では動物は使用されず、危害を加えられませんでした。

格子パラメータ、結晶子サイズ、体積、転位密度、微小ひずみ、積層欠陥、「u」パラメータ、結合長、c/a 比などの結晶学的パラメータは、XRD 技術を使用して取得され、表 1 に示されています。調製したままのサンプルナノコンポジットの量は、図 1 に示す XRD 技術によって検証され、JCPDS 36-1450 とよく一致しました。 GZ ナノコンポジットのピークは、26° (100)、28° (002)、30° (101)、39° (102)、47° (110)、51° (103)、および 56° (200) に位置します。、GZ:Cr-GaおよびGZ:Crでは10°で酸化グラフェンのピークが認められますが、注目すべきことに、GOの結晶性が低いか回折強度が低いため、他のナノ複合材料ではGOのピークが観察されません。 GZ、GZ:Cr-In、および GZ:Cr-Al ナノ複合材料の XRD スペクトルには酸化グラフェン (GO) ピークが存在しないという観察結果は、酸化グラフェンがグラフェンの酸化型であり、酸素を含む官能基を持っているためである可能性があります。その表面にはグループが存在します。これらの官能基を還元すると、これらの官能基を持たないグラフェンが形成されます。 GZ、GZ:Cr-In、および GZ:Cr-Al ナノ複合材料の合成プロセス中に、GO のグラフェンへの還元が発生し、XRD スペクトルで GO ピークが消失しました 20。これらのサンプルに GO ピークが存在しない考えられる理由の 1 つは、XRD スペクトルの GO ピークをマスクする可能性のあるナノコンポジット内の他の化合物の存在である可能性があります。たとえば、GZ では、ZnS 結晶構造が支配的であり、グラフェンの存在を検出するのが難しい可能性があります。これは、GO ピークが GZ:Cr および GZ:Cr-Ga ナノ複合材料の XRD スペクトルで観察されたという事実によって裏付けられており、ドーパントが GO ピークをマスクするのに十分ではなかった可能性があります。全体として、ナノ複合材料の XRD スペクトルにおける GO ピークの有無は、GO の減少、またはドーパント元素の導入によって引き起こされる他の化合物のマスキング効果によるものである可能性があります 21、22。半金属イオンが ZnS 格子に共置換されると、結晶化度が低下します。この効果は、ZnS 格子への半金属イオンの共置換が成功したことを示唆しています。一方、転位密度、微小ひずみ、および積層欠陥の順序は逆であり、転位密度、微小ひずみ、および積層欠陥が減少するにつれて結晶子サイズが増加することを意味します。

(a) GZ、GZ:Cr、GZ:Cr-Ga、GZ:Cr-In、および GZ:Cr-Al ナノワイヤの XRD プロット、および (b) 角度 27.5°と 29.5°の間の拡大図。

ウルツ鉱 ZnS ナノワイヤの格子パラメータ a および c は、次の式 23、24 を使用して計算されました。

ZnS 格子サイトに半金属を共置換した後の結晶構造には大きな違いがあります。 Debye Scherrer の公式を使用して、平均結晶子サイズを計算しました。また、イオン半径の異なる異種元素を ZnS 格子内に置換すると、結晶子サイズの変化が確認される25。

露光ボリュームのサイズは、統計的に有意な数の粒子が回折パターンに含まれるようにするのに役立ちます。これは、積分された回折ピークの強度が材料の体積に比例することを示しています。調製したままのサンプルの体積は、次の式 26 を使用して評価されました。

積層欠陥は、塑性変形または凝固の結果として結晶内に現れることがあります。理想的なウルツ鉱結晶構造は一連の積層面の 1 つと考えることができ、一連の積層面の順序が正確に守られていない場合、サンプル中に積層欠陥が見つかります。積層欠陥の存在、格子パラメータの変化、残留応力により、ピークのシフトとピークの広がりが観察されます。マイクロひずみでは、大きなイオンが部分的に小さなイオンに置き換わったときの格子特性の全体的な低下が考慮すべき要素となります。それは、結晶格子の内部構造、形状、体積に微視的なスケールで変化を引き起こします。図 2 に示すように、薄い酸化グラフェンナノシートで包まれた ZnS 格子内の共集積ドーパントが、格子不整合 (ミスフィット転位) によってもたらされる拡張欠陥の原因であると仮定する方法。結晶材料の単位体積あたりの転位の数は、転位密度によって測定されます。次の式から、すべてのサンプルの結晶子特性、転位密度、微小ひずみ、および存在する積層欠陥を分析しました16。

応力と歪み下で準備されたサンプルの転位を示す概略図。

次の式から、ウルツ鉱構造ZnSの「u」パラメータを計算しました。

結合の長さは結合次数に比例します。結合の生成に多数の電子が関与すると、より強い結合は短くなります。結合長は結合強度および結合解離エネルギーに反比例します。他のすべてのパラメータが等しい場合、より強い結合はより小さくなります。結合長（L）は以下の式27を用いて精査した。

UV-Vis 反射分光法は、準備されたままの半導体サンプルのバンドギャップなどの光学特性を決定します。反射率スペクトルは 200 nm ～ 750 nm の範囲で記録され、図 3 に示されている可視領域のバンドを反映しています。目に見える領域。調製されたサンプルは、さまざまな半金属を共置換し、酸化グラフェンを ZnS 格子に追加することにより、バンドギャップを低減するのに最適な形状に加工されています。 Fariba Soleimani et al.28 によれば、生成された ZnS サンプルは光の紫外領域で電子吸収を示しましたが、この研究の ZnS サンプルは光の可視領域で光吸収を示すように修正されました。観察されたバンドギャップは、GZ、GZ:Cr、GZ:Cr-Ga、GZ:Cr-In、GZ:Cr-Al、GO でそれぞれ 1.72、1.99、1.77、2.01、1.69、および 1.60 eV です。

(a) GZ、(b) GZ:Cr、(c) GZ:Cr-Ga、(d) GZ:Cr-In、(e) GZ:Cr-Al のバンドギャッププロットを示す挿入図付きの UV-Vis 反射率スペクトル, (f) 行きます。

電界放射型走査型電子顕微鏡 (FE-SEM) を使用して、調製したままのサンプルの形態を調べました。混合形態は単結晶構造よりも多くの利点を提供しますが、現在の研究では、光触媒活性を向上させるための表面修飾のためのGOで装飾された共置換ZnSナノワイヤーに焦点を当てています。 ZnS ナノ複合材料はさまざまな形態のナノワイヤ形態を持っていますが、GO は図 4 に示すナノシート形態を持っています。Han Zhang et al.29 は、その結果が水熱法により生成された TiO2 微小球はデイジー、両錐、球状の形態をしているが、中でも、デイジーマイクロスフェア形態は、青色色素の直接分解に対して最高の光励起性能を示し、これは市販の TiO230 の 2.3 倍です。 GZ および GZ:Cr のサンプルでは、ナノワイヤーフォレストは球形の形態をとりました。ただし、GZ:Cr-Ga および GZ:Cr-In には単結晶ナノワイヤが存在し、GZ:Cr-Al は透明な結晶構造形態を示します。

(a) GZ、(b) GZ:Cr、(c) GZ:Cr-Ga、(d) GZ:Cr-In、(e) GZ:Cr-Al、(f) GO サンプルの FESEM 画像。

合成されたままのサンプルの化学組成は、サンプル中の元素の正確なパーセンテージを検証する EDAX 技術によって決定されました。 ZnS 格子への GO の添加により、サンプル中に炭素と酸素が存在することが裏付けられました。置換された金属の濃度は低く、つまり各金属の 2% ですが、反応後は溶解度により濃度が低下するため、一部の元素の原子百分率は 0.00% になります。 EDAX は、原子量の 2% 以上の元素原子百分率を示します。それぞれのナノコンポジットサンプルの元素原子百分率を図５に示した。

(a) GZ、(b) GZ:Cr、(c) GZ:Cr-Ga、(d) GZ:Cr-In、(e) GZ:Cr-Al、(f) GO サンプルの EDAX スペクトル。

過去 20 年間、光触媒活性に多大な関心が寄せられてきましたが、太陽光照射下での単一の光触媒による現実的な色素分解の分野ではそのような発展はありませんでした。多くの研究者が、1 つの色素の光分解、その効率、および反応メカニズムに焦点を当ててきました。しかし、単一の光触媒によって複数の混合染料を分解するためにいくつかの物理的および化学的パラメーターを最適化する研究はありません。そこで、私たちは多くの色の染料を分解できる単一の光触媒を開発しました。色彩理論に基づいて独特の色の染料が作られています。色彩理論によれば、人は主に青、黄、赤などさまざまな色を形成できると考えられています。光分解には、メチレンブルー (青)、パラニトロフェノール (黄色)、メチルオレンジ (オレンジ)、トリオフェレン (赤)、コンゴレッド (赤) の染料が使用されます。

バンドギャップ、形態、粒子サイズ、表面欠陥、結晶化度、表面積、熱的および化学的安定性には、光触媒性能に影響を与えるすべてのパラメーターがあります。これは、光生成された電子正孔対再結合のためのバンドギャップ、表面欠陥、形態を最適化し、励起波長を下げ、表面吸着反応種の数を増やすことによって改善される可能性があります。光触媒効率を向上させるために、可視光吸収のためのバンドギャップの低減、および光生成された電子正孔対再結合のための表面修飾の開発が研究されました。アゾ染料のメチレンブルー (MB)、パラニトロフェノール (PNP)、メチルオレンジ (MO)、コンゴラド (CR)、およびトリフェニレン (TP) を混合染料の分解として選択し、調製したままの光触媒活性を調査しました。ナノコンポジットサンプル。

混合染料の光触媒活性に介入するために、5 つのナノ複合材料サンプルを合成しました。光触媒効率は次の式(9)で計算されます。

一方、C0 (100% 色素濃度) の値は初期値 (t = 0) であり、C100 (分解後の色素の残留濃度) は最終値 (t = 120 分) でした。 GZ、GZ:Cr、GZ:Cr-Ga、GZ:Cr-In、GZ:Cr-Al、および GO のナノ複合材料は、I サイクルでそれぞれ 91.32、87.96、93.06、94.21、92.44、および 83.81% の光触媒効率を持っています。 GZ:Cr-In ナノ複合材料は、他のナノ複合材料よりも最も高い光触媒効率を示します。これらの計算された効率は、共置換が単純な半導体光触媒よりも優れた選択肢であることを証明しました。 5 サイクル完了後、光触媒効率は低下しましたが、5 サイクル後の化学的安定性は良好でした。効率に加えて、光触媒作用において非常に重要なパラメータがもう 1 つあります。それは次の式 (10) で計算される速度定数です。

すべてのナノコンポジットの 5 サイクルで得られた光触媒効率 (%)。

ここで、それぞれ時間 t = 0 分の C0 と時間 = 120 分の Ct であり、k は擬似一次速度定数です。速度定数 (k) は、図 7 に示すように \(\mathrm{log}\frac{{C}_{0}}{{C}_{t}}\) 対照射時間の傾きから検証されました。合成したままのナノ複合材料サンプルの検証された速度定数を表 2 にまとめました。光触媒効率と速度定数の値から、GZ:Cr-In ナノ複合材料が他のナノ複合材料サンプルと比較して劣化に対して最良の光触媒であることが明示的に検証されました。図 1S (ESI) に示されている混合染料の混合物。

サンプルの (a) 時間 (分) 対 Log C0/Ct、(b) 時間 (分) 対 C/C0 のプロット。

これらのナノ複合材料における光触媒活性のメカニズムを理解するために、XPS を使用して、表面欠陥、相変態、およびナノ複合材料に存在する化学成分の性質に関する情報を抽出しました。表面欠陥の測定には、通常、フォトルミネッセンス分光法が使用されますが、今回の報告では、ZnS ナノワイヤの表面に GO が存在するため、XPS 技術から表面欠陥を計算しました。パーセンテージで表した全表面欠陥は、図 8 に示されている非共役炭素と空孔ピーク 31 から計算されました。表 3 は、それぞれの曲線の下の面積 (%) とそのデータから表面欠陥が分析されたことを詳しく示しています。最初のガウスフィットピークは、調製したサンプルに存在する空孔を表し、2 番目のガウスフィットピークは官能基 C=C sp2 を示します。 3 番目のガウスピークは C 1 の下にあり、表面欠陥の研究にも関与した非共役炭素を表します。 4 番目、5 番目、および 6 番目のガウスピークは、それぞれ C-OH、C-O-C、および C=O 官能基を表します。表 2S (ESI) から、調製されたナノ複合材料サンプル中に存在する元素の % は、GZ:Cr-In ナノ複合材料が硫黄、窒素、および酸素元素を含むことを示しています。重量 % は他のナノ複合材料よりも高かったため、GZ:Cr-In ナノ複合材料の光触媒活性は他のサンプルよりも高いです。より多くの酸素空孔が光触媒活性を高める一方、高% N ドープ GO は元の GO よりも優れた光触媒特性と物理的特性も備えています。 2% Ga3+/In3+/Al3+ と 2% Cr3+ イオンの ZnS 格子への共置換が成功し、共置換された金属の XPS スペクトルから検証されました。フルスキャンスペクトルは図２Ｓ（ＥＳＩ）に示されており、すべての金属は、図３Ｓ（ＥＳＩ）に示されている合成されたままのナノコンポジットサンプルとして存在していた。

(a) GZ、(b) GZ:Cr、(c) GZ:Cr-Ga、(d) GZ:Cr-In、および (e) GZ:Cr-Al の C 1 s スペクトルのガウス近似ピーク。

蛍光分光法では、図 9 に示す調製サンプルの特性と光触媒活性の向上に重要な役割を果たす固有欠陥、空孔欠陥、置換欠陥、およびフランケル欠陥が明らかになります。 XPS、構造特性 (XRD)、および蛍光分光法の相関関係合成サンプルの光触媒効率が高い理由を説明します。置換欠陥とフランケル欠陥 (格子間欠陥と空孔欠陥の組み合わせ) が存在するため、GZ:Cr-In は最も高い光触媒効率を備えています。 GZ:Cr-In のサンプルでは、Cr、Ga、Al のイオン半径がホスト元素の Zn よりも小さいのに対し、In のイオン半径は Zn よりも大きいため、データに欠陥が多くなります。図 10 に示す蛍光スペクトルから、強いバンド発光ピークが 380 nm で発生したのに対し、欠陥状態バンドピークは 450 nm (紫 - 青発光) および 550 nm (緑 - 黄色発光) で観察されたことが観察されました。これは、準備されたサンプルにシフトが発生したことを表します。その変化により、GO と GZ の磁性は反磁性から超常磁性の挙動に変化しました。赤色の発光ピークは 760 nm で発生し、GZ: Cr-In の強度がより大きくなったのは、イオン半径が高く、格子サイトに大量の置換欠陥と空孔欠陥が形成されたためです。欠陥の強度とバンド発光ピークの強度が高いため、GZ: Cr-In サンプルにはより多くの欠陥が存在していました。 XPS スペクトルから、GZ: Cr および GZ: Cr-Ga サンプルには非共役炭素による欠陥があるため、蛍光および XRD データとよく一致する欠陥が詳しく説明されました。 XRD から、これら 2 つのサンプルには GO の余分なピークがあり、したがって、ここでは非共役炭素の欠陥がより定量的に形成されました。強い近バンド発光の主な原因は格子間硫黄であると考えられています。 ZnSナノ結晶中のCr、Ga、Alなどの低イオン半径元素によって生成される硫黄空孔と格子間欠陥は、光触媒活性に不可欠であり、青紫の発光の原因となっている可能性がある。緑黄色の発光は、Zn 空孔と In のより大きなイオン半径に関連する自己活性化欠陥中心によって引き起こされます。

ZnS格子へのCr/Ga/AlとInによりフランケル欠陥と置換欠陥が発生した。

(a) 調製したサンプルの蛍光スペクトル、(b) 725 ～ 790 nm の範囲でのズームプロット。

生成されるナノ複合材料の粒子サイズと形態は、光触媒活性に影響を与えます。小さな粒子の表面積はより大きく、これは光分解の有効性に影響を与える可能性のあるパラメーターの 1 つです。以前の研究論文では、光触媒効率を高めるために三次元ナノスフェアが開発され、その効率は 84% であることが判明しました。私たちは初めて、光触媒効率を高めるために一次元ナノワイヤーを解釈しようと試みました。ナノワイヤーは球の表面で成長し、混合形態は光分解効率の点で純粋な形態を上回りました。ナノワイヤーは、多孔性と表面積を向上させるために、より小さな直径とより長い長さの GO で装飾されています。ナノワイヤの長さと直径は異なるナノ複合材料サンプルごとに異なるため、効率の飽和が発生しました。 GO はナノワイヤの表面で発見されたため、ナノコンポジットサンプルの活性サイトで改善が観察されました。

研究者たちは、光触媒効率を向上させるための 2 つの方法を研究しています。最初の方法では、優れた光触媒性能を備えた改良された触媒を作成し、光子の消費率を向上させます。 2 番目の方法では、反応環境を変更して光触媒効率を高めることができます。たとえば、電場を提供することにより、光誘起キャリア輸送メカニズムを大幅に変更し、それによって光触媒効率を向上させることができます 32。並外れた光触媒性能を得るために、我々は特定の修正を加えた最初の技術、すなわちより高い光子消費率を実現するためのZnSナノワイヤへの半金属の超常磁性NドープGOベースの共置換を選択しました。この研究は、光触媒活性を改善するためのこれらのアプローチと方法の間の将来の接続の基礎となるでしょう。超常磁性の挙動は、単磁区ナノ粒子の全磁気モーメントの高速反転を引き起こす熱エネルギーによるものです。研究によると、ナノ複合材料サンプルは、光触媒作用中に太陽光にさらされると、超常磁性ナノ複合材料として活性化されたことが示唆されています。

これは、N ドープ GO の異方性によるもので、体積に対する表面積の比が増加し、光触媒活性に利益をもたらします。N ドープ GO で装飾された Ga3+/In3+/Al3+ および Cr3+ 共置換体に関する報告はまだ発表されていません。光触媒用途向けの ZnS ナノワイヤー。光触媒効率の向上は、ZnS 格子内に 3 つの半金属を Cr で共置換することによって達成されました。 ZnS ナノ粒子および薄膜のいくつかの物理的特性に対する Sn と Ni の共ドーピングの影響は Chaitanya Kumar らによって研究され 33、共ドーピング後にバンドギャップと磁化が減少することを発見しました。ニートゥ・バンサルら。 ZnS 格子内に Mn2+ と Cu2+ を共ドープした後、バンドギャップが強化されることが観察されました 34。カビ・ラスアらは、共ドーピング後のバンドギャップを減少させる、ZnS 格子内の Pd2+ と Mn2+ の共ドーピングの効果を調査しました 35。しかし、これらの報告は立方晶ZnS格子に関するものであり、光触媒活性については機能していません。しかし、現在の研究は、光触媒用途における ZnS 格子内の異なる金属の共置換の効果に貢献します。異なる半金属の多様なイオン半径により、構造パラメータの変化が観察されました。我々は、磁気的、光学的、化学的、形態学的、および熱的特性についても、ZnS 格子への共置換に関して非常に興味深い結果を得ました。

半金属と Cr3+ を ZnS 格子に共置換すると、光触媒効率が向上しました。これは、調製したサンプルで格子間欠陥、空孔欠陥、置換欠陥が発見され、光触媒効率向上の直接的な証拠が得られたためです。たとえば、置換欠陥は光触媒反応に新しい活性サイトを導入する可能性がありますが、フランケル欠陥は、カチオン空孔がアニオン空孔に隣接している場合、光触媒プロセスに利用できる電荷キャリアの数を増加させる可能性があります。不純物、空孔、およびアンチサイト無秩序は、光キャリアの組換え中心として作用することにより ZnS の光触媒活性を向上させるために使用でき、その結果、電荷キャリア濃度が増加し、光触媒活性が向上します。格子間欠陥、空孔欠陥、および置換欠陥は光触媒効率の向上に直接比例しており、欠陥の存在は FL および XPS から調査されました。欠陥の存在により、サンプルには追加の電荷キャリアと反応に関与する新しい活性サイトがあり、最初の擬似速度次数定数の値と光触媒効率が増加しました。

窒素ドープ GO で装飾された純粋な ZnS、4% Cr 置換 ZnS、および 2% Cr3+ イオンで多孔質 GO ベース ZnS ナノワイヤに共置換された 2% Ga3+/In3+/Al3+ のサンプルを、ワンステップの水熱法を使用して調製することに成功しました。光触媒および生物医学用途向け。エネルギーバンドギャップの劇的な変化が紫外可視反射分光法から観察され、調製されたナノワイヤがより多くの可視光を吸収できることが示されました。 XPS と FL は、欠陥の存在が光触媒効率の向上の直接的な証拠であることを調査しました。通常、水の浄化において、亜鉛ベースの材料は潜在的に有毒な影響を伴う大量の亜鉛イオンを放出します。私たちの場合、ZnS ナノワイヤーがグラフェンシートで装飾されているため、廃水中の染料と直接反応する Zn の量が少なくなり、そのため上面は多孔質で毒性のない酸化グラフェンでできています。我々は、ZnS 分子がハニカム構造の酸化グラフェンナノシートの間に結合しているため、色素分解手順後に解放されないことを概説しました。純粋なGOは、その無重力特性のため、光触媒活性には適していないことが確認されました。重量が軽いため、粉末のリサイクル可能性が低下するため、GO は添加元素として ZnS に置き換えられます。超常磁性構造を示す超常磁性 GO/ZnS および GO ナノ材料の導入によってもたらされる、標的薬物投与、磁気共鳴画像法、磁気温熱療法、熱アブレーション、生体分離、バイオセンシングなどの興味深い応用が数多くあります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 [およびその補足情報ファイル] に含まれています。

Wang, Y.、Wang, H.、Zhang, TC、Yuan, S. & Liang, B. CO2 吸着およびスーパーキャパシタ用の rGO 組み込みポリフェニレンジアミン複合材料から誘導された N ドープ多孔質炭素。 J. Power Sources 472、228610。https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228610 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Xiao, J.、Wang, Y.、Zhang, TC & Yuan, S. CO2 回収とエネルギー貯蔵性能を強化する rGO/N 多孔質炭素複合材料。 J. アロイズ Compd. 857、157534。https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157534 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ディミエフ、AM、アレマニー、LB、ツアー、JM 酸化グラフェン。酸性の起源、水中での不安定性、および新しい動的構造モデル。 ACS ナノ 7、576 ～ 588。 https://doi.org/10.1021/nn3047378 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Jiang, Y.、Guo, F.、Liu, Y.、Xu, Z. & Gao, C. エネルギー貯蔵と変換のためのグラフェンベースの材料の 3 次元印刷。 SusMat 1、304–323。 https://doi.org/10.1002/sus2.27 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, C.、Huang, M. & Ruoff, RS 室温でのグラフェン酸化物エアロゲル「インク」、および凍結鋳造による規則構造。炭素 183、620–627。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.07.046 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Papageorgiou、DG、Kinloch、IA、Young、RJ グラフェンおよびグラフェンベースのナノ複合材料の機械的特性。プログレ。メーターサイエンス。 90、75–127。 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Smith, AT、LaChance, AM、Zeng, S.、Liu, B. & Sun, L. 酸化グラフェン/還元酸化グラフェンおよびそれらのナノ複合材料の合成、特性、および応用。ナノメーター。科学。 1、31–47。 https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.004 (2019)。

記事 Google Scholar

Zhai、HY & Zou、H. Cr、Ag 共ドープ ZnS ナノ材料の合成とその反応性染料の吸着能力。 Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi/Spectrosc. スペクトル。アナル。 37、2638–2644。 https://doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2017)08-2638-07 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Rabbani、SF & Banu、IBS (Mn、Cr) 共ドープ ZnS 希薄磁性半導体における半金属強磁性: 第一原理計算。計算します。メーター。科学。 101、281–286。 https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.01.043 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, Y.、Zhang, N.、Tang、Z.-R. & Xu、Y.-J. グラフェンはワイドバンドギャップ ZnS を可視光光触媒に変換します。高分子光増感剤としてのグラフェンの新しい役割。 ACS Nano 6、9777 ～ 9789。 https://doi.org/10.1021/nn304154s (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Ouyang, L.、Zhang, Y.、Wang, Y.、Wang, X. & Yuan, S. 水溶液中の As(III) に対するホウ素ドープ TiO2/g-C3N4 ナノ複合材料の吸着および光触媒酸化挙動についての洞察。工業工学化学。解像度 60、7003–7013。 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00509 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ホン、Ｙら。 ZnSナノ材料の光触媒による水素生成効率に対する格子の完全性と相組成の影響。ナノスケール 4、2859–2862。 https://doi.org/10.1039/C2NR30150D (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Sharma, PK および Pandey, OP CeO2 ナノ粒子への金属イオンドーピングおよび共ドーピングによる光触媒活性の強化。固体科学。 126、106846。 https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106846 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Dutta, S.、Chatterjee, S.、Mukherjee, I.、Saha, R. & Singh, BP システアミンを新規硫黄源として使用した ZnS 中空球体および RGO-ZnS ナノ複合材料の作製: 工業用染料および廃液に対する光触媒性能。工業工学化学。解像度 56、4768–4778。 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b00107 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

ガジェンディラン、J. 他糖補助水熱プロセスによる ZnS 球状/フレーク状ナノ構造の構造的、光学的および光触媒的特性。化学。物理学。レット。 754、137639。https://doi.org/10.1016/j.cplett.2020.137639 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

デイク、DV 他グラフェンベースのCr置換βZnSナノ複合材料の光触媒性能。応用物理学。 A 128、276。https://doi.org/10.1007/s00339-022-05407-1 (2022)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Kuyuldar、E. et al. 単分散チオ尿素は、アルコール酸化用の酸化グラフェンベースの PtRunano 触媒を官能化しました。科学。議員 10、7811。https://doi.org/10.1038/s41598-020-64885-6 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramesh, S. et al. スーパーキャパシタ用途向けの窒素ドープ酸化グラフェン @ SnO2 電極の多孔質材料。科学。議員9、12622。https://doi.org/10.1038/s41598-019-48951-2 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chang, Y.-S.、Chen, F.-K.、Tsai, D.-C.、Kuo, B.-H. & Shieu、F.-S. 室温 NO ガスセンサー用の N ドープ還元酸化グラフェン。科学。議員 11、20719。https://doi.org/10.1038/s41598-021-99883-9 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Krishnamoorthy, K.、Veerapandian, M.、Yun, K. & Kim, SJ さまざまな酸化度の酸化グラフェンの化学的および構造分析。カーボン 53、38 ～ 49。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.10.013 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, L.、Liu, H.、Wang, Y.、Zhang, TC & Yuan, S. テトラサイクリンの光分解を強化するための光誘起キャリア分離を促進するための三元 Bi2O3/バイオ炭/g-C3N4 ヘテロ接合の構築。応用サーフィン。科学。 616、156509。https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156509 (2023)。

記事 CAS Google Scholar

Liu, H.、Huo, W.、Zhang, TC、Ouyang, L. & Yuan, S. オキシヨウ化ビスマス/剥離 g-C3N4 の Z スキームヘテロ接合によるテトラサイクリンの光触媒除去: パフォーマンス、メカニズム、および分解経路。メーター。今日はChem. 23、100729。 https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100729 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

デイク、DV 他コンゴレッドアゾ色素の光分解に関するLa置換ZnOナノロッドとナノフラワーの物理的特性の推測。 J. メーター。科学。メーター。電子。 https://doi.org/10.1007/s10854-021-06969-1 (2021)。

記事 Google Scholar

Raskar, N. et al. 可視光光触媒活性を高めるための、MnドープZnOナノフラワーにおける酸素欠損と表面欠陥の発達。 SN Appl. 科学。 2、1403。https://doi.org/10.1007/s42452-020-3053-0 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

デイク、DV 他光触媒用途における Cr 置換 ZnS ナノ構造のさまざまな特性に対する欠陥の役割を調査します。応用物理学。 A 126、640。https://doi.org/10.1007/s00339-020-03669-1 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Mote, V.、Dargad, J. & Dole, B. ZnO ナノ粒子の構造、形態学的および光学的研究に対する Mn ドーピング濃度の影響。ナノサイエンス。ナノエン。 1、116–122。 https://doi.org/10.13189/nn.2013.010204 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Raskar, ND et al. 光触媒用途のための垂直成長した Mn ドープ ZnO ナノロッドのワンステップ合成。 J. メーター。科学。メーター。電子。 30、10886–10899。 https://doi.org/10.1007/s10854-019-01433-7 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Soleimani, F. & Nezamzadeh-Ejhieh, A. 水溶液中のリファンピンの光分解における CdS-ZnS ナノ複合体の光触媒活性の研究。 J.マーケット。解像度 9、16237–16251。 https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.091 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, H.、Zhang, H.、Zhu, P. & Huang, F. メソポーラス TiO2 触媒上のダイレクトブルーの光触媒分解における形態学的効果。 ChemistrySelect 2、3282–3288。 https://doi.org/10.1002/slct.201601346 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

グエン・ファン、TD & Shin、EW メチレンブルーの光触媒分解に対する TiO2 触媒の形態学的効果。 J.Ind.Eng. 化学。 17、397–400。 https://doi.org/10.1016/j.jiec.2011.05.013 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Ganesan, K. et al. 数層のナノグラファイト構造における XPS およびラマン分光法を使用した欠陥推定に関する比較研究。物理学。化学。化学。物理学。 18、22160–22167。 https://doi.org/10.1039/C6CP02033J (2016)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Bian, Y.、Zheng, G.、Ding, W.、Hu, L. & Sheng, Z. 市販の TiO2 粉末によるメチルオレンジの光触媒分解に対する磁場の影響。 RSC アドバンス 11、6284–6291。 https://doi.org/10.1039/D0RA08359C (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kumar, KC & Kaleemulla, S. ZnS ナノ粒子および薄膜の構造的、光学的および磁気的特性に対する (Sn、Ni) 共ドーピングの影響。メーター。科学。半導体。プロセス。 104、104692。https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104692 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Bansal, N.、Mohanta, GC & Singh, K. ZnS ナノ粒子の構造特性と発光特性に対する Mn2+ と Cu2+ の共ドーピングの影響。セラム。内部。 43、7193–7201。 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.007 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Kavi Rasu, K.、Sakthivel, P. & Prasanna Venkatesan, GKD Mn2+:ZnS ナノ粒子の構造的および光学的特性に対する Pd2+ 共ドーピングの影響。オプション。レーザー技術。 130、106365。https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106365 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らは、プロジェクト番号 IUAC/XIII.7/UFR-67305 を通じてインドのニューデリーにある大学間加速器センター (IUAC) の寛大な支援と、効果的な科学的議論に対する故 SS シャー教授に感謝の意を表します。そして激励。

先端材料研究所、物理学科、ババサヘブ・アンベドカル・マラトゥワダ大学、オーランガバード、431004、MS、インド

DV デイク、ND ラスカル、VA マネ、RB ソンピル、BN ドール

ペロポネソス大学、電気およびコンピュータ工学部、ナノテクノロジーおよび先端材料研究所、26334、パトラス、ギリシャ

E. スタサトス

ポリマーおよび機能部、CSIR-インド化学技術研究所、タルナカ、ハイデラバード、テランガーナ、500007、インド

M. ヴァスンダラ

材料科学、大学間加速器センター、Aruna Asaf Ali Marg、ニューデリー、110 067、インド

R・ミーナ

物理学科および学際的研究センター、石油エネルギー研究大学 (UPES)、デラドゥン、ウッタラーカンド、248007、インド

K.アソカン

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

DVD は原稿の初稿を書き、正式な分析と調査を実行しました。方法論、データキュレーション、およびソフトウェア関連の作業は、DVD、NDR、VAM、および RBS によって支援されました原稿は、ES、MV、RM、KA、および BND によってレビューおよび編集されました概念化、リソース、執筆、および視覚化が完了しましたby BNDとDVD ここで紹介する作品はBNDの監修によるものです

BNドールへの対応。

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。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Dake、DV、Raskar、ND、Mane、VA 他。光触媒用途のための N ドープ酸化グラフェンベースの ZnS ナノワイヤに対する共ドーパントの興味深い物理化学的特性と影響。 Sci Rep 13、7595 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33453-z

引用をダウンロード

受信日: 2023 年 1 月 11 日

受理日: 2023 年 4 月 13 日

公開日: 2023 年 5 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33453-z

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。

ラボ用撹拌機およびシェーカー市場のトップブランドであるVelp Scientifica、Thermo Fisher Scientific、IKA、Heidolph Instruments、Caframoとともに2031年の成長ドライバーとなる

世界のレギュラーマグネチックスターラー市場調査レポート2023

ニュース

コの興味深い物理化学的特性と影響