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Jan 09, 2024

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과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8188(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

기계화학적 볼 밀링 후 650°C에서 5시간 동안 가열하여 단상 Bi2VO5.5 분말을 성공적으로 생성했습니다. 메틸렌 블루 염료 분해에 대한 촉매 활성을 조사했습니다. 라만 분광법과 X선 회절을 사용하여 상 형성을 확인했습니다. 샘플의 전하 캐리어 이동 거동은 시간 의존적 광전류 분석을 사용하여 확인되었습니다. 압전-광촉매 실험은 볼 밀링된 Bi2VO5.5 샘플에 대해 63%의 분해 효율을 나타냈습니다. 압전-광촉매 염료 분해의 유사 1차 동역학이 식별되었으며, 0.00529 min-1의 중요한 k 값이 달성되었습니다. 스캐빈저 테스트에서는 압전 광촉매 실험 중에 h+ 라디칼이 주요 활성 종임을 선언합니다. 발아지수를 평가하기 위해 Vigna radiata 종자를 식물독성 시험에 사용했습니다. 기계화학적 활성화 방식은 반응 온도와 시간을 낮춰 반응을 촉진하는 방식이다. 볼밀링된 Bi2VO5.5 분말에 대한 향상된 압전-광촉매 효율의 효과는 미개척 영역이며 우리는 이를 조사하려고 시도했습니다. 여기서 볼밀링된 Bi2VO5.5 분말은 향상된 염료 분해 성능을 달성했습니다.

현재 급속한 산업화 속도로 인해 인류사회는 환경보전이 주요 관심사인 새로운 시대로 접어들고 있습니다. 사람들은 환경 피해를 해결하기 위한 더 나은 방법을 찾음으로써 환경 보존의 필요성을 깨닫기 시작했습니다1. 식품, 제약, 인쇄, 염색 및 기타 산업에서 매우 자주 사용되는 유기 오염물질에는 색소와 항생제가 포함됩니다2. 유기염료는 섬유산업에서 다량의 유기염료를 수계에 직접 배출하여 심각한 환경적 위험을 야기하고 인간의 건강에도 해롭기 때문에 산업폐수의 중요한 구성요소입니다3. 발암성 및 독성이 있는 유기 오염물질은 수생, 동물 및 인간의 건강을 악화시킵니다4. 산업 폐수에서 오염 물질을 제거하기 위한 표준 방법을 만들기 위한 수많은 연구가 수행되어 문헌에 발표되었습니다5,6. 응고, 흡착, 한외여과, 미생물 분해 등 기존의 수질 정화 방법은 최근까지 폐수 처리의 표준이었습니다7. 그러나 이러한 기술은 제거 효율이 낮고, 추가 처리가 필요한 2차 오염물질, 농도가 낮은 오염물질을 제거하기 어렵다는 결점이 있습니다7,8. 따라서 이러한 유기 오염물질을 분해하기 위해 효율적이고 생태학적으로 허용 가능한 프로세스를 만드는 것이 중요해졌습니다.

현재 섬유 폐수 처리에는 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 공정이 사용됩니다9. 테스트되고 저렴한 기술은 광촉매 및 압전촉매입니다10,11. 이는 환경 친화적이고 고효율4,12수용액에서 유기 오염물질을 제거할 수 있는 잠재력으로 인해 녹색 대안으로 간주됩니다. 반도체 광촉매에서는 다양한 전하 캐리어의 분리를 촉진하면서 빛을 흡수하는 능력을 향상시키기 위해 광촉매의 개선이 필요합니다. 반도체 광촉매는 독특한 밴드 구조, 이동성 및 광생성 전하 캐리어의 탁월한 분리로 인해 광촉매 분야에서 놀라운 잠재력을 보여주었습니다. 광촉매의 이점에는 실온에서 낮은 농도로 독소를 산화시키는 능력, 2차 오염 물질의 감소, 저렴한 비용 및 오염 물질의 분해에 적합한 무독성 등이 포함됩니다16,17. Anatase TiO2는 더 높은 산화력, 저렴한 가격 및 우수한 화학적 안정성으로 인해 현재 가장 선호되는 광촉매입니다18,19. 넓은 밴드갭(3.20eV)과 광 유도 캐리어의 상대적으로 짧은 수명으로 인해 TiO2는 태양 광선의 UV 부분만 흡수할 수 있기 때문에 양자 효율이 낮습니다1,18. 따라서 효과적인 가시광 활성 광촉매를 만드는 것이 중요합니다. 광촉매 외에도 초음파 진동 유도 압전촉매는 폐수 처리를 위해 단독으로 또는 조합하여 활용할 수도 있습니다. 가시광선에 보다 효과적으로 반응하는 새로운 광촉매를 만들기 위한 엄청난 연구가 진행되어 왔습니다. 이중 기반 반도체는 새로운 특성과 원자재의 용이한 가용성으로 인해 상당한 주목을 받아 왔습니다. 혼성화된 Bi(6s) 및 O(2p) 원자가 밴드가 있는 경우 Bi3+를 포함하는 많은 산화물은 광촉매 특성을 갖습니다. 새로운 광촉매 물질로는 BiVO4, Bi2WO6, Bi2MoO6, CaBi2O4, BiNbO4, Bi2VO5.5 등의 비스무트 기반 물질이 보고되었다1,24,25,26,27. 비스무트 바나데이트와 같은 비스무트 기반 산화물은 내식성, 무독성, 강탄성 및 이온 전도성과 같은 뛰어난 특징을 가지고 있습니다. 대부분의 강유전성 물질과 달리 비스무트 바나데이트(Bi2VO5.5, (BV))는 높은 이온 이동성과 극성 반응을 동시에 나타내며 일반적으로 양립할 수 없는 두 가지 특성을 나타냅니다. 촉매, 고체 전해질, 가스 센서 및 리튬 충전지용 양극 재료를 포함하여 다양한 응용 분야가 있습니다. Bi2VO5.5는 졸-겔, 공침, 고체 반응 및 마이크로파를 포함한 여러 기술을 사용하여 생산될 수 있습니다. 압전 반응 동작은 BV37,38의 중심대칭 사방정계 구조의 결과입니다. 이 물질은 중심대칭이 아닌 단위 셀에 의해 유도된 이산 안정 분극으로 인해 자연 분극을 겪었습니다. 결과적인 표면 분극은 밴드 굽힘 및 공간 전하 영역으로 이어집니다. Bi2VO5.5의 표준 공식은 (Bi2O2)2+ (An−1BnO3n+1)2−입니다. 여기서 B는 6가, 4가, 5가 이온을 나타내고, n은 Bi2O2 층 사이에 압착된 페로브스카이트 블록의 수를 나타냅니다. 2가, 3가, 1가 이온의 경우 A입니다. BV는 BiVO442와 같은 계층 구조를 가지고 있습니다. 밴드갭이 낮기 때문에 BV는 넓은 가시광선 흡수 범위42에 걸쳐 사용됩니다. 전통적인 세라믹 합성 방법은 고온과 더 많은 반응 시간이 필요합니다43. 기계화학적 활성화 방법은 화학양론을 변경하지 않고 반응 온도와 시간을 낮추어 반응을 촉진합니다. 이는 화합물 형성 및 상전이 속도를 높이고 새로운 물질의 물리화학적 특성을 향상시키는 데 효과적으로 사용되었습니다. 또한, 촉매의 표면적은 중요한 구성 요소입니다. 촉매 나노입자의 넓은 표면적은 광촉매 활성을 향상시킬 수 있는 광자 포획 및 전자-정공 쌍 생성에 충분한 염료 분자의 흡착을 허용합니다. 작은 입자 크기의 물질은 졸-겔, 공침, 마이크로파 및 기계화학적 볼 밀링(MBM) 활성화 공정을 통해 생산되는 것으로 보고되었습니다. 표면적이 넓기 때문에 작은 입자 크기가 촉매 효율을 높이는 데 유리합니다. Xie et al.48은 Bi2VO5.5에 증착된 Au 나노입자를 사용하여 85.2%의 효율로 메틸렌 블루(MB)를 성공적으로 분해했습니다. Jianmin Wanget al. 가시광선이 있을 때 메틸렌 오렌지(MO)를 95% 분해하기 위해 BiVO4/Bi2VO5.5 나노구조를 사용했습니다. Bi2VO5.5/Bi2O3 복합 필름은 Xie et al.에 의해 사용되었습니다. 시뮬레이션된 햇빛에서 89.97% MB 염료 분해 효율 달성 1.