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Jun 07, 2023

나프록센 분해를 위한 ZrO2/TiO2/Fe3O4 3원 나노복합체의 광촉매 활성: 반응 표면 방법론을 사용한 특성화 및 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10388(2022) 이 기사 인용 2381 액세스 6 인용 측정 항목 세부 정보 이 연구에서 ZrO2, TiO2 및 Fe3O4 구성 요소는 다음과 같이 합성되었습니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10388(2022) 이 기사 인용

2381 액세스

6 인용

측정항목 세부정보

본 연구에서는 ZrO2, TiO2, Fe3O4 성분을 각각 공침법, 졸-겔법, 공침법으로 합성하였다. 또한, ZrO2/TiO2/Fe3O4 3원 나노복합체의 합성을 위해 고체분산법을 사용하였다. ZrO2/TiO2/Fe3O4 나노복합체는 XRD, EDX, SEM, BET, FTIR, XPS, EELS 및 광발광(PL)을 포함한 다양한 기술로 특성화되었습니다. ZrO2/TiO2/Fe3O4 광촉매의 FTIR 분석에서는 450~700 cm−1 범위에서 강한 피크가 나타났으며 이는 Zr–O, Ti–O 및 Fe–O의 신축 진동을 나타냅니다. FTIR 및 XRD, XPS 분석 및 PL 스펙트럼 결과를 통해 고체 분산 방법으로 ZrO2/TiO2/Fe3O4 나노복합체가 생성되었음을 확인했습니다. EELS 분석을 통해 Fe3O4, TiO2 및 ZrO2의 순수 샘플이 확인되었습니다. EDAX 분석 결과 Zr:Ti:Fe 원자비는 0.42:2.08:1.00인 것으로 나타났습니다. 광촉매의 비표면적, 기공 부피, 평균 기공 크기는 각각 280 m2/g, 0.92 cm3/g, 42 nm로 나타났다. 또한, 반응 표면법(RSM)을 사용하여 나프록센 제거에 대한 ZrO2/TiO2/Fe3O4 나노복합체의 성능을 평가했습니다. NPX 농도, 시간, pH 및 촉매 농도와 같은 4가지 매개변수를 조사했습니다. 광촉매의 전하 0점은 6점이었습니다. 광촉매를 이용한 나프록센의 최대 및 최소 분해는 100%였습니다(조건: NPX 농도 = 10 mg/L, 시간 = 90분, pH = 3 및 촉매 농도 = 0.5 g/ L) 및 66.10% 각각. 안정성 실험에서는 3원 나노촉매가 7회 재활용 후 상대적으로 더 높은 광촉매 활성을 나타내는 것으로 나타났습니다.

제약 화합물에 의한 환경 오염은 최근 몇 년간 가장 심각한 문제 중 하나로 간주됩니다1,2. 제약폐수 처리 및 오염물질이 환경으로 방출되기 전에 제거하기 위해 가장 효율적인 방법을 식별하는 것은 어려운 일입니다3. 제약 폐수는 물리적4, 화학적, 생물학적5 및 복합 방법6을 사용하여 처리할 수 있습니다. 황산 라디칼8, 자외선-가시광선9, 자연 햇빛10, 펜톤 산화11, 전기화학12, 나노복합 촉매13, 초음파분해 및 소노-펜톤14을 기반으로 한 고급 산화 공정7을 포함한 고급 산화 공정7은 뛰어난 성능으로 제약 폐수에서 오염 물질을 제거하는 데 널리 사용되었습니다. 이러한 과정에서 라디칼이 형성되면 수용액에서 유기 오염물질이 산화됩니다. 다른 방법과 비교하여 광촉매는 고효율, 저비용, 특정 폐수에 적합한 촉매 설계, 높은 부식 및 온도 안정성과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다. 이산화티타늄(TiO2)은 감광성 반도체(UV 및 가시광선 포함)이기 때문에 유기 화합물 및 제약 오염물질 분해의 촉매제로 널리 사용되어 왔습니다18,19. 광촉매 과정에서 가전자대 정공과 전도대 전자가 형성되면 폐수에서 산화-환원 매체가 생성됩니다. 이는 유기 화합물을 쉽게 분해하여 CO2 및 물과 같은 무독성 화합물로 전환할 수 있습니다20,21. 이산화티타늄은 아나타제, 금홍석, 브루카이트의 세 가지 결정상을 갖는 다형성 물질입니다. 아나타제 상은 금홍석 상보다 광촉매적으로 더 활성적입니다. TiO2 광촉매 활성을 향상시키기 위해서는 더 작은 입자(나노 크기)를 사용하는 것이 중요합니다. 더 작은 입자는 더 높은 비표면적을 갖기 때문입니다24. 처리 후 이산화티타늄 나노입자를 제거하면 이 광촉매의 이점이 감소하고 이산화티타늄(TiO2)을 지지 물질에 고정할 수 있지만 고정화는 균질 촉매에 비해 비표면적이 감소합니다25. 반면에 생성된 전자-정공 쌍의 빠른 재결합은 이산화티타늄 광촉매의 활성을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 TiO2의 활성을 향상시키기 위해 ZrO2와 같은 일부 다른 반도체가 사용됩니다. ZrO2 도핑은 전자-정공 쌍 재결합을 늦추고 재료를 강화하며 표면적과 아나타제 대 금홍석 결정 상 비율을 증가시킬 수 있습니다. ZrO2-TiO2 광촉매는 유기 화합물을 분해하는 데 사용되었으며, 이 화합물에서 ZrO2는 시스템에서 지지체 또는 광촉매 역할을 합니다29.