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Jun 29, 2023

酸化ジルコニウムボールによって刺激されたSbSI/Sb2S3ナノ複合材料によるメチレンブルーのピエゾ分解の速度論的および熱力学的研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15242 (2022) この記事を引用 1348 アクセス 5 引用 3 オルトメトリクスの詳細 圧電材料による機械的エネルギー収集による駆動

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15242 (2022) この記事を引用

1348 アクセス

5 引用

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

触媒反応を駆動する圧電材料による機械的エネルギーハーベスティングは、環境修復として広く注目を集めました。 この研究では、SbSI/Sb2S3 ナノ複合材料が触媒として合成されました。 ZrO2 ボールは、圧電触媒を刺激するための超音波に代わる機械力として初めて使用されました。 メチレンブルー (MB) のピエゾ分解の速度論と熱力学が詳しく研究されました。 機械力の種類、ZrO2 ボールの数、反応温度が分解効率に及ぼす影響に加えて、研究が行われました。 ここで機械的エネルギーは、ZrO2 ボールと触媒粒子の衝突から生じました。 超音波振動の代わりに ZrO2 ボールを使用すると、30 ± 5 °C で分解効率が 47% 向上しました。 反応速度論的研究により、SbSI/Sb2S3 触媒によるメチレンブルー (MB) のピエゾ分解は擬二次反応速度論に従うことが明らかになりました。 熱力学的結果に基づくと、MB のピエゾ分解は発熱反応でした。

環境汚染とエネルギー危機を緩和するために、代替のクリーンで持続可能なエネルギー源の開発に強い研究関心が集まっています。 太陽エネルギーまたは機械エネルギーを収集して変換できる材料は、新しい形式のクリーン エネルギーとして近年広く研究されています1、2、3、4、5、6、7、8。 ピエゾ材料は、機械エネルギーを収集して電気エネルギーまたは化学エネルギーに変換できる興味深い種類の材料と考えられています9、10、11、12。 このシナリオでは、ピエゾ材料が機械的な力によって強制的に変形を加えられると、圧電ポテンシャルによって材料内の非占有状態または占有状態の電子エネルギー レベルがシフトします。 言い換えれば、ピエゾ材料の伝導帯 (CB) を、ピエゾ材料の分子の最高被占分子軌道 (HOMO) より下に下げます。 したがって、電子は分子の HOMO からピエゾ材料の CB に移動する可能性があります 13、14、15、16、17。 過去には、圧電材料は主にセンサー、トランスデューサー、電子産業として使用されていました18、19、20。 最近、圧電触媒と呼ばれる新しい用途が発見されました。 これまで、抗菌と水の分解は圧電触媒作用によって実現されてきました。 ごく最近では、圧電触媒作用が、人類にとって最も深刻な環境問題の一つである水汚染物質を分解するための処理剤として応用されています。なぜなら、これらの汚染物質の一部は溶解性が高く、化学的に安定しているからです。 この目的のために、1D および 2D ウルツ鉱 ZnO や BaTiO321、22 など、さまざまな種類の材料が開発されました。 たとえば、2019 年に Qian らは、 らは、チタン酸バリウム (BaTiO3、BTO) とポリジメチルシロキサンの複合材料を使用することにより、ローダミン B (RhB) 色素の約 94% を分解すると報告しました。 2020 年後半、Raju らはポリフッ化ビニリデン/ZnSnO3 ナノキューブ/Co3O4 複合材料を適用して RhB とメチレンブルー (MB)24 を処理しました。 Xu と彼の同僚は、Bi0.5Na0.5TiO3@TiO2 Composite25 を使用して RhB の 97% 以上を分解しました。

環境修復に圧電触媒を採用することには、光触媒 26、吸着剤 27、フェントン プロセス 28 などの他の方法と比較して利点があります。 たとえば、光触媒は光の下でのみ機能します。 さらに、キャリア電荷の再結合を避けるためにワイドバンドギャップ半導体が必要です。 ワイドバンドギャップ触媒の使用には高エネルギー光子が必要であり、材料は通常より高価になります29,30,31,32,33,34。

最近、圧電材料による汚染物質の分解の背後にあるメカニズムがいくつかの論文で発表されました。 たとえば、PbTiO3 ナノ構造を適用して、水中でアシッドレッド 143 とアシッドバイオレットを処理しました。 我々は、ラジカルスカベンジャーを使用して考えられるメカニズムを研究し、フリーラジカルが有機汚染物質の分解に関与していることを示唆しました35。 2021 年後半に、Lin らはらは、有機汚染物質を処理するためのピエゾ触媒としての BaTiO3 ナノキューブの使用を報告し、同じメカニズムを示唆しました 36。 いくつかのグループがその背後にある考えられるメカニズムを研究しようとしましたが、圧電材料による有機汚染物質の分解の速度論はほとんど研究されていません。 たとえば、Lei らは、二次元黒鉛窒化炭素を使用して、ジクロロフェノールの圧電触媒分解の背後にある速度論を研究しました。 彼らは、ジクロロフェノールの分解は擬一次反応速度論であると報告しました37。 しかし、汚染物質の圧電触媒分解の反応速度に及ぼす熱力学、温度の影響、加えられる力の量についてはまだ議論されていません。 これまでの報告では機械力の源として超音波作動を使用していましたが、本発明者らは機械力を提供するためにジルコニアボールを使用していました。 ここでは、音響化学と水熱法によりピエゾ触媒を調製しました。 次に、293 K、303 K、313 K のさまざまな温度で、さまざまな機械的力の下で、関連する反応速度を研究しました。 最後に、劣化の背後にある熱力学を研究しました。