Гетеропереход оксида металла для фотокаталитической активности

Разработка гетероперехода повышает фотокаталитическую активность синтеза горения раствора, который является процессом, эффективным по времени и энергии. Для оценки характеристик материалов в этом протоколе были использованы передовые методы аналитической характеризации, а нанокомпозиты продемонстрировали улучшенную деградацию кислотного оранжевого красителя-8.

Во всем мире существует значительный спрос на усовершенствование методов синтеза и их оптимальных характеристик, особенно для применения в промышленных масштабах. Синтез горения на основе золь-гель раствора (SG-SCS) является простым методом получения упорядоченных пористых материалов. В этом отношении теория твердых и мягких кислот и оснований Пирсона помогает в выборе реакционной способности хозяин-легирующая примесь для формирования правильной гетеропереходности.

Образование гетероперехода также изменяет основные свойства материалов, улучшая фотокатализ за счет переноса заряда или синергетической активности. Температура прокаливания 500 °C идеально подходит для этого процесса, основываясь на результатах оценки стабильности с помощью дифференциального термогравиметрического анализа соотношения (DTG).

Наноразмерные размеры полученных наночастиц (НЧ) и нанокомпозитов (НК) были проверены с помощью рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). Кроме того, микрофотографии сканирующей электронной микроскопии и анализы BET подтвердили пористость материалов. HRTEM, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и энергодисперсионные рентгеновские исследования установили состав материалов. Исследование показало, что NC ухудшают кислотно-оранжевый цвет 8 (AO8) более эффективно, чем чистый ZnO.

Охрана окружающей среды стала одной из основных проблем в связи с быстрым ростом числа компаний во всем мире. Следовательно, наноматериалы (ЯМ) на основе нанотехнологий и их синтез привлекли внимание исследователей в современном научном мире, а не объемные материалы¹. Для обработки органических и неорганических загрязнителей было адаптировано несколько физико-химических подходов ^2,3. В связи с этим, благодаря своей простоте и способности растворять токсины без создания вторичного загрязнения, гетерогенный фотокатализ рассматривается как адаптивный метод^{ремедиации4}. В исследованиях был разработан гетеропереход или легирование между подходящими полупроводниками в запрещенной зоне, что помогает уменьшить электронно-дырочную рекомбинацию компонента, площадь поверхности и объем. Это состояние впоследствии увеличивало фотокаталитическую деградацию красителей ^5,6,7. В недавних работах также сообщается о синергетической и зарядной роли в улучшении передачи за счет гетеропереходов/гибридов ^8,9, а полупроводниковые оксиды металлов демонстрируют уникальные физические и химические свойства для многофункциональных применений¹⁰. В результате_TiO2 и НЧ оксида цинка (ZnO NPs) привлекли значительное внимание исследователей^11,12.

По сравнению с отдельными материалами, образование гетероперехода стало одним из уникальных преимуществ для увеличения площади поверхности и объемного соотношения материалов, а также улучшения фотокаталитических и антибактериальных характеристик материала. Кроме того, синергетическое воздействие бинарных гетеропереходов улучшает разделение фотогенерируемых электрон/дырочных пар по сравнению с бинарными гетеропереходами^13,14. Исследования показали, что гетеропереход между Mn₂O₃ и ZnO NPs¹⁵ улучшает стабильность и адсорбционную способность субстрата и снижает сопротивление переносу заряда в синтезированных НЧ. Кроме того, в нескольких исследованиях использовалась реакционная способность хозяин-легирующая примесь, основанная на теории твердых и мягких кислот и оснований Пирсона (HSAB) для проверки гетероперехода или образования легирующей примеси. Было обнаружено, что твердые кислоты Льюиса (такие как Mn(III)) не могут диффундировать в границу решетки хозяина Zn (II) в присутствии растворителя твердого основания, такого как вода^16,17. Они адсорбируются на поверхности хозяина и окисляются с образованием гибрида при кальцинировании.

В связи с его потенциалом, в настоящее время глобальное внимание к промышленно масштабируемым приложениям синтеза материалов сосредоточено на совершенствовании подхода и его критических перспективах^. Синтез горения в растворе (SCS) является простым, экономичным по времени и энергии методом создания регулярно упорядоченных пористых материалов¹⁸, которые играют значительную роль в явлении ионо-/массопереноса¹⁹. SCS включает в себя приличное распределение легирующей примеси или гетеропереход, основанное на теории твердых и мягких кислот и оснований Пирсона (HSAB). Легирование/гетеропереход может регулировать оптические, магнитные и электрические свойства материалов, что впоследствии повышает применимость материалов за счет эффективного переноса заряда и/или синергетических функций²⁰. SCS с помощью агента-управляющего агента (ADA) также может производить упорядоченные коллоидные нанокристаллические каркасы (CNF), используемые для переноса массы/ионов в устройствах, преобразующих энергию^21,22.

В рамках этого исследования были получены поверхностно-активное вещество и комплексообразователь на основе поливинилового спирта (ПВА) для синтеза НЧ ZnO и гетероперехода бинарных нанокомпозитов (НК) на основе ZnO с использованием экологически чистого подхода SG-SCS. Гетеропереход между оксидами, который играет важную роль в переносе заряда, был оценен на основе теории HSAB. Методы характеризации были использованы для понимания структурных, оптических и морфологических свойств материалов. Эффективность разложения материала была проверена как на стабильных, так и на токсичных красителях AO8.

1. Синтез наноматериалов

1. Синтез нанокомпозитов ZnO-Mn₂O₃
   1. Синтез нанокомпозитов с использованием поливинилового спирта в качестве поверхностно-активного вещества и подхода SG-SCS с помощью комплексообразующего агента. Графическая иллюстрация подхода SG-SCS приведена на дополнительном рисунке S1.
   2. Растворить 1,5 г полимера ПВА в 100 мл дистиллированной воды при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке в течение примерно 15 мин при 115 °С²³.
   3. В растворенный раствор ПВА при непрерывном перемешивании в течение примерно 10 мин влейте растворы предшественников солей, гексагидрат нитрата цинка в концентрации 90% v/v и сульфат марганца в концентрации 10% v/v и снизьте температуру до 70 °C.
      Примечание: Прекурсоры солей смешивали одновременно для балансировки реакционной способности нанокомпозитного предшественника в соответствии с подходом к зародышеобразованию-легированию^16,24. Температура была снижена до 70 °C для контроля ускоренного роста и агрегации наночастиц в соответствии с моделью^{La Mar 25,26}.
   4. Состарьте образующиеся золи (коллоидные частицы) гидроксида металлов, удерживая их в закрытом и темном месте в течение 2 дней. Затем обезвожьте раствор, нагревая до 110 °C (на воздухе) до образования геля.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Полимер ПВА действует как архитектура, направляя шаблоны и комплексообразующие агенты, которые способствуют однородному диспергированию катионов металлов, инициируя процесс горения и предотвращая свойства агрегации/агломерации.
   5. Подвергните гель горению на воздухе, нагрев духовку до температуры воспламенения ~150-250 °C (приблизительная температура проверяется с помощью простого термометра). Температура воспламенения — это минимальная температура, необходимая для начала горения. Во время сгорания используйте вытяжки для сбора всех токсичных газовых побочных продуктов, влияющих на здоровье человека.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс горения активировался путем образования комплексов между полимером ПВА и предшественниками нитратов, которые действуют как топливо для облегчения процесса горения.
   6. Прокалить сгораемые материалы в течение 3 ч при 500 °C в муфельной печи, оптимизированной с помощью аналитического метода дифференциальной термогравиметрии (DTG). DTG разлагает несгоревшие примеси и улучшает кристалличность материалов²⁷.
2. Синтез чистых ZnO и Mn₂O₃ NPs
   1. Синтезируйте голые оксиды металлов с использованием золь-гель подхода. Синтезируйте чистый ZnO и Mn₂O₃ без ПВА, используя все описанные ранее шаги, шаги 1.1.1.-1.1.6., за исключением шага 1.1.2. Благодаря отсутствию комплексов нитрата металла и полимера ПВА на заключительной стадии сушки не происходит процесса самораспространения.

2. Определение характеристик NP

1. Определите термогравиметрическое соотношение, в частности, термогравиметрическое/дифференциально-термическое (анализ DT/DTA), в атмосфере азота со скоростью потока 20,0 мл/мин и временем нарастания 50 °C/мин для изучения термической стабильности и деградации NP и NC.
2. Проведите инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) с использованием гранул KBr в диапазоне 400-4000 ^см-1 для изучения поведения поверхностных функциональных групп НЧ и НК.
3. Выполнение рентгеновской дифракции (XRD) для изучения кристаллографической структуры ПВА, НЧ и НК.
4. Используйте метод Брунауэра-Эммета-Теллера (BET; N₂ изотерм адсорбции-десорбции) для расчета удельной площади поверхности образцов в диапазоне относительного давления (P/P_o) 0,05-0,35. Определите распределение пор и размеров образцов с помощью метода Барретта-Джойнера-Галенды (BJH). Наконец, измерьте сорбцию N₂ всех НЧ и НЧ при температуре −196,15 °C.
5. Использование сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (SEM-EDX) и просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения (HRTEM) для изучения морфологии и проведения исследований состава NP и NCs.
6. Выполнение анализа с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) на системе, интегрированной с запатентованной магнитной иммерсионной линзой Kratos, системой нейтрализации заряда и анализатором сферических зеркал. Калибровка пиковых энергий на основе энергии внешнего углерода.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Исследователь принял все стандартные процедуры и протоколы в процессе определения характеристик.

3. Исследования деградации партий

1. Провести фотокаталитический эксперимент путем растворения 20 ppm красителя AO8 в 250 мл водного раствора (водного растворителя) с 0,06 г ZnO NPs и NCs фотокатализаторов.
2. Используйте эксперимент по деградации в качестве проводника в реакторе из круглого стекла диаметром 176,6 см² . Для этого эксперимента в качестве источника света используется ртутная лампа среднего давления (лампа ртутного столба) (λ_max = 365 нм, 125 Вт)²⁸. Перед освещением реакционную суспензию непрерывно перемешивать в темноте в течение 30 минут для создания равновесия адсорбции/десорбции AO8/CR на НЧ/НК.
3. Облучайте образцы напрямую, фокусируя свет на реакционной смеси с расстояния 20 см. Используйте магнитную мешалку со скоростью 110 об/мин для непрерывного перемешивания раствора. Контролируйте общую температуру реактора во время эксперимента с помощью циркуляции воды.
4. Каждые 15 минут отбирайте 5 мл раствора красителя для измерения их концентраций в момент t с помощью УФ-видимого спектрофотометра. Рассчитайте процент эффективности фотокаталитической деградации с помощью уравнения:
   
   где C_o и C_t – начальная и последующая концентрации t облучения, соответственно, раствора красителей AO8 и CR; и η эффективность обесцвечивания фотографий,
5. Используйте псевдокинетическое уравнение первого порядка для изучения динамики реакции:
   Псевдо - кинетика первого порядка:
   где C_o и C_t — начальная и равновесная концентрации красителя AO8 (мг/л) соответственно, k — константа скорости, а t — время в минутах.

На рисунке 1A показана термическая стабильность двоичных НК до того, как прибор DTG проанализирует кальцинацию в атмосфере N₂. Последовательность испарения адсорбированных молекул_Н2О, внутримолекулярного распада, разложения гидроксидов металлов и/или боковой цепи ПВА, межмолекулярного разложения/разложения главной цепи ПВС и, наконец, кристаллической части с образованием углерода, углеводородов и золы^29,30.

НК показали потерю стабильности при температуре выше 720 °C. Углы дифракции рентгеновской картины с соответствующими кристаллическими плоскостями соответствовали гексагональной структуре ZnO NP (ICSD: 00-036-1451; Рисунок 1B). НЧ ZnO демонстрировали острые пики по сравнению с композитами, что указывает на менее кристаллические свойства НЧ³¹. Кристаллические структуры ZnO (рис. 1C) и Mn₂O₃ (рис. 1C) были сформированы с помощью программного обеспечения VESTA 3D для визуализации.

Приблизительные средние размеры кристаллитов были рассчитаны с использованием формулы Дебая-Шеррера:

D = Kλ/(β cos θ)

где λ — длина волны рентгеновского излучения (для излучения Cu Kα λ = 0,15418 нм), K — константа, β — ширина линии на максимальной полувысоте, θ — дифракционный угол³². Приблизительные размеры ZnO NP и NC составляют 59 нм и 23 нм соответственно.

Отсутствие сдвигов пиков для НК относительно ZnO указывает на образование только локальных гетеропереходов между оксидами, что соответствует теории HSAB Пирсона 16,17,33. Дифрактометрические пики ПВА также не наблюдались в дифрактометрических паттернах ZnO и NC. Это показало полное разложение ПВС при 500 °C, что было подтверждено анализом DTG.

Среди базовых моделей формы пор графики BET ZnO NP и NC имели цилиндрическую форму (рис. 2B)³⁴. Среди шести типов изотерм адсорбции и четырех типов петель гистерезиса классификации ИЮПАК НЧ и НК были сопоставлены с изотермой адсорбции типа IV и петлей гистерезиса^{H3 35}. Резкое увеличение при относительном давлении 0,8 P/P₀ показывает совместное распределение размеров мезопористых и макропористых пор³⁶.

Графики распределения пор по размерам Барретта-Джойнера-Халенды (BJH) показывают доминирование распределения размеров мезопористых пор (врезка Рис. 2)³⁴. Полосы поглощения спектров ИК-Фурье спектров как для НЧ ZnO, так и для НЧ на ~3650 см⁻¹ и ~1650 см⁻¹ могут быть отнесены к вибрациям гидроксильных групп и молекул воды соответственно (рис. 2B). Морфологические, композиционные и структурные особенности НЧ и НЧ могут влиять на количество и положение пиков. Считается, что морфологическая модификация сферической размерности к одно-, двух- или трехмерным частицам приводит к широте и расщеплению полос^37,38. Для ZnO NP пики поглощения были разделены на две части, в то время как для NC только один пик наблюдался на 450 ^см-1. Сдвиг волнового числа зависит от прочности и слабости связи металл-кислород³⁹. Сдвиг пика в сторону более низкого волнового числа/частоты для NC (3560 см⁻¹) по сравнению с ZnO (3655 см⁻¹) подтверждает ослабление связи металл-кислород из-за введения Mn₂O₃ фазы⁴⁰. Появление других пиков может быть обусловлено переходными примесями, образующимися при синтезе ⁴¹.

На рисунках 3A, B показаны СЭМ-изображения материалов ZnO и NC. Снимки SEM показали более высокую пористость для NC, чем ZnO. Этот результат согласуется с интерпретацией BET. Чем более пористые материалы, тем больше поверхностных дефектов/активных центров, перенос заряда и эффективность поглощения видимого света. Кроме того, анализ состава с помощью метода EDX подтвердил реальность предсказуемых элементных составов Zn, Mn и O (рисунок 3C) с наблюдением соответствующих основных пиков при 1 кэВ, 0,5 кэВ и 0,45 кэВ. Элементы C и S были обнаружены как примеси.

Спектр XPS ZnO NP и NC (дополнительный рисунок S1) подтвердил существование химических состояний Zn 2p, Mn 2p, O 1s и C 1s. Орбитальная область Mn 2p с высоким разрешением на NC подтверждает, что химические состояния Mn 2 p_3/2 и Mn 2 p_1/2 присутствуют при энергиях связи 641,1 эВ и 653,2 эВ соответственно⁴². Приблизительная энергия расщепления 12,1 эВ между Mn 2p_3/2 и Mn 2p_1/2 представляет собой типичное значение для Mn³⁺⁴³. Наконец, энергия связи Zn 2p в NCs (1022,7 эВ) демонстрирует положительный сдвиг по сравнению с чистой ZnO (1022,0 эВ). Этот сдвиг происходит из-за переноса электронов с ферми-уровня ZnO на ферми-уровень Fe₂O₃ и/или Mn₂O₃ 44,45,46. 

Изображения ПЭМ (рис. 3D) показывают, что размеры синтезированных НК находились в нанометровом диапазоне (~20 - 50 нм), что согласуется с анализом XRD. На изображениях ПЭМ также визуализируется присутствие двойных кристаллитов (двух кристаллитов разного размера), разделенных границей, известной как ориентированное прикрепление⁴⁷. Это крепление позволяет частицам иметь общую кристаллографическую ориентацию^47,48 и способствует возникновению способности к непрерывному переносу заряда⁴⁹. Дифракционные пятна, присутствующие точно на кольце SAED, указывают на кристалличность ZnO NP. Пятна за пределами кольца указывают на присутствие Mn₂O₃ (рис. 3E)⁵⁰.

Измеренные значения межпланарного расстояния из SAED для ЧПУ соответствуют гексагональной структуре вюрцита ZnO (врезка рис. 3E). Значение d-разноса 0,34 нм от изображения HRTEM соответствует 221 плоскости α-Mn₂O₃ (рис. 3F)^51,52_. Обнаруженные дефекты укладки на изображении IFFT HRTEM выявили пористые свойства НК (изображения IFFT со вставкой на рисунке 3E). С другой стороны, решетчатая бахрома для ZnO не наблюдалась для НК. Возможно, это связано со случайным выбором кристаллита во время разрешения.

На рисунках 4A, B показана активность фотодеградации ZnO, НЧ и НК по разложению AO8. Небольшой процент адсорбции происходил в темноте во время уравновешивания адсорбции/десорбции. Как ZnO, так и NC показали хорошую фотокаталитическую активность на красителе AO8.

Зависящие от времени данные (C_t/C_o vs. t и log (C_t/C_o) vs. t) приведены на рисунке 4C и врезке соответственно. Полученные значения константы скорости k для ZnO и ZnO-Mn₂O₃ NCs составили 0,0058 ^мин-1 и 0,0087 ^мин-1 соответственно. Хорошая фотокаталитическая активность ZnO NP связана с некоторыми дефектами (вакансиями), препятствующими рекомбинации e⁻/h⁺ . Окислительно-восстановительные потенциалы оксидов цинка и марганца до и после гетероперехода показаны на рисунке 4D (слева).

В исследовании было отмечено, что запрещенные зоны Mn₂O₃ (уровень Ферми вблизи VB) и ZnO (уровень Ферми вблизи CB) движутся вверх и вниз соответственно, достигая стабильности своего уровня Ферми и, наконец, достигая равновесия, как показано на рисунке 4C (справа). Фотокаталитическая активность бинарных НК на красителе AO8, вероятно, обусловлена формированием подходящего выравнивания полос разрывного зазора (типа III). Кроме того, гетеропереход с разорванной щелью переносит электроны от более отрицательного CB-потенциала ZnO к более отрицательному VB-потенциалу Mn₂O₃^53,54. Следовательно, разделение e^- и h⁺ было увеличено для повышения эффективности деградации⁵⁵.

Несмотря на то, что положение края зоны зависит от поверхностного заряда, оксиды полупроводниковых металлов обладают типичной энергией запрещенной зоны, которая поглощает свет^{определенной частоты 56}. Для полупроводников решающее значение для деградации загрязняющих веществ имеет более высокий отрицательный потенциал CB, чем H⁺/_H2, и более положительный потенциал VB, чем у O₂/_H2O⁵⁷. Наличие хорошего свойства переноса заряда свидетельствует об образовании гетеропереходов/локального контакта между оксидами металлов, что оказывает заметное влияние на уменьшение рекомбинации e⁻/h⁺. Результаты исследования и обзоры позволяют предположить возможный предполагаемый механизм деградации НК после гетероперехода ^33,46, как показано на рисунке 4D.

Рисунок 1. Анализ стабильности материалов. (A) Графики ТГА/ДТА PVA-ZnO/Mn₂O₃ до прокаливания. (B) рентгеноструктурные диаграммы PVA, ZnO, PVA-ZnO/Mn₂O₃ и Mn₂O₃; кристаллические структуры (C) ZnO и (D) Mn₂O₃ по принципу «шарик и палочка», созданные с помощью программного обеспечения VESTA 3D Imaging (красный цвет обозначает атом O), прокаленные при 500 °C. Эта цифра была изменена с²⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2. Анализ текстурных свойств и химических связей. (A) Графики BET ZnO, Mn₂O₃ и PVA-ZnO/Mn₂O₃ прокалены при 500 °C. На рисунке на врезке показаны графики BJH. (B) ИК-Фурье спектры ZnO NPs и образцов PVA-ZnO/Mn₂O₃ , прокаленных при 500 °C. Эта цифра была изменена с²⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3. Морфологический анализ. СЭМ-изображение спектров (A) ZnO и (B) ZnO/Mn,₂, O,₃, (C) EDXS, прокаленных при 500 °C. Врезка в C — это % массы элемента и результат % атома. (D) изображения TEM, (E) SAED и (F) HRTEM, прокаленные при 500 °C. Вставка в E — это шаблон XRD; вставка в F — увеличенная решетчатая кайма (1) и узор IFFT (2). Эта цифра была изменена с²⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4. Фотокаталитическая активность ZnO NPs и ZnO-Mn₂O₃ NC (A, B) Зависимость поглощения от длины волны ZnO и ZnO/Mn₂O₃ соответственно. (C) График данных кинетики C_t/C_o в зависимости от t и log (C_t/C_o) в зависимости от t . (D) Тип разорванного зазора возможного предлагаемого механизма (левый, до гетероперехода, и правый, после гетероперехода). Эта цифра была изменена с²⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный рисунок S1. Принципиальная схема иллюстрирует синтез горения с помощью агента, который позволяет получить активный пористый наноразмерный материал с благородным переносом массы/ионов. (А) раствор прекурсора; (В) образовавшийся гель при обезвоживании при 110 °С; (В) взрыв газообразного побочного продукта при дальнейшем нагревании с целью воспламенения температуры; (D) стабильный пористый побочный продукт, получаемый при кальцинации при 500°С. Этот показатель был изменен с²⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Настоящий протокол описывает синтез нанокристаллов с использованием восходящей стратегии с точной формой, размером и структурой. В исследовании было отмечено, что зарождение и рост нанокристаллов были значительными до формирования нанокристаллов. Здесь оксиды ZnO и марганца были синтезированы на основе теории групп²⁵ Ламера, которая постулирует процесс образования нанокристаллов после восстановления предшественников на атомы и ядра, что приводит к образованию затравок для получения нанокристаллов. В этом отношении общая форма и размер нанокристаллов зависят от роста семян, свойств семян и реактивации поверхностно-активных веществ/укупоривающего агента. Поливиниловый спирт может выступать в качестве восстановителя и укупорки/стабилизирующего агента^58,59. Между тем, в отличие от традиционного подхода SG-SCS, при котором в качестве окислителя используется топливо, в качестве комплексообразователя и укупорочного агента использовался только полимер ПВС без использования какого-либо топлива. В этом случае в качестве растворителя использовалась вода, что не является распространенным, так как в других исследованиях использовались токсичные, вызывающие рак и мутагенные растворители.

Данное исследование модифицировало реакционную способность цинка и марганца на основе теории твердых и мягких кислот и оснований (HSAB)^16,24. Менее реакционноспособная и растворимая легирующая примесь сульфата марганца была использована для образования локальной гетеропереходы с более реакционноспособным предшественником нитрата цинка. Он положил начало зарождению цинка, и атомы марганца были диффундированы и прикреплены к подходящим поверхностным участкам (ступеням и изломам)²⁶.

Восстановители, нейтральные/на основе хлоридов или окислители солей, основанные на окислителях/нитратах, могут использоваться в качестве SG-SCS. Как известно, восстановители и прекурсоры на основе нейтрали/хлора нуждаются в дополнительных окислителях и выделяют HCl, что приводит к загрязнению конечных продуктов. В целом, предшественник нитратов является лучшим окислителем с такими важными свойствами, как достаточный окислительный потенциал и стабильная температура разложения, которые способствуют образованию чистого продукта⁶⁰, и благородная растворимость⁶¹. Сульфатный прекурсор, используемый для контроля реакционной способности в этой работе, приводит к образованию примесей, требующих высокой температуры разложения (см. анализ EDX, рисунок 3C). Поскольку нитратная соль обладает подходящим окислительным и комплексообразующим потенциалом⁶¹, предполагается, что предшественник нитратов и другие условия используются для балансировки реакционной способности хозяин-легирующая примесь вместо поверхностной соли.

SG-SCS в данном исследовании проводила последовательность стадий, включая образование коллоидных/зольных веществ, дегидратацию (гелеобразование) и самоподдерживающуюся реакцию горения ^1,62. Это привело к выделению газов, которые улучшают пористость/текстурные свойства продукта⁶³ и, наконец, к гашению реакции за счет выделения газов (см. дополнительный рисунок 1). В процессе SG-SCS процессы горения могут образовывать губчатую/пенообразную структуру при горении во многих точках или длинную проволочную структуру за счет горения в точке/точке. Кроме того, кальцинация сгораемых материалов способствует разложению несгоревших примесей и улучшает кристалличность материалов²⁷.

В этом исследовании был представлен подход синтеза с помощью сжигания раствора (SCS) как новая методология с эффективным использованием времени и энергии для производства высокостабильных и пористых наноматериалов, которые могут быть эффективно применены в промышленно масштабируемых условиях. В процедурах SG-SCS успешно синтезированы пористые бинарные НК на основе ZnO. В исследовании было отмечено, что золь-гель метод улучшает SAS для синтезированных НК. Пористость НЦ была проверена с помощью СЭМ-изображения, кольца SAED и анализа BET, в то время как оптимизированная температура деградации ПВС для НЦ была определена как 500 °C с помощью анализа DTG. Анализ изображений XRD и TEM подтвердил, что размеры кристаллитов NP и NC находятся на наноуровне. Для исследования состава и актуальности были применены анализы EDX, XPS и HRTEM. В конечном счете, бинарные НК показали хорошую деградацию красителя AO8, доказав свою эффективность. В целом, любой материал может быть разумно синтезирован путем устранения упомянутых недостатков, а SCS может обеспечить менее дорогостоящий, простой и экономичный по времени/энергии метод питания энергетических устройств в будущем.

Авторам нечего раскрывать.

Мы хотели бы выразить признательность Научно-техническому университету Адама за поддержку в этой работе. Финансирование было предоставлено Университетом Таифа под номером проекта поддержки исследователей (TURSP-2020/44), Университет Таиф, Таиф, Саудовская Аравия.