techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-202212-2-183-195techusgu-58Research ArticleФИЗИКАPHYSICSИсследование фотокаталитической активности оксида цинка в магнитном полеStudy of the Photocatalytic Activity of Zinc Oxide in a Magnetic FieldРассекоД. С.RassekoD. S.

Рассеко Дмитрий Сергеевич, аспирант  кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Dmitry S. Rasseko, Post-Graduate Student of the Department of the of Nanotechnology, Microelectronics, and Engineering Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

rasseko.dmitriy@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5004-0823ПугачевскийМ. А.PugachevskiiM. A.

Пугачевский Максим Александрович,  доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Maksim A. Pugachevskii, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of the  Regional Center of Nanotechnology

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

pmaximal@mail.ruАунгН. В.AungN. W.

Ней Вин Аунг, аспирант кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Nei Win Aung, Post-Graduate Student of the  Department of the of Nanotechnology, Microelectronics, and Engineering Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

naywinaungnano@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор  физико-математических наук, профессор,  главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander P. Kuzmenko, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher  of the Regional Center for Nanotechnology

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

apk3527@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202227042023122183195Copyright © Рассеко Д.С., Пугачевский М.А., Аунг Н.В., Кузьменко А.П., 20232023Рассеко Д.С., Пугачевский М.А., Аунг Н.В., Кузьменко А.П.Rasseko D.S., Pugachevskii M.A., Aung N.W., Kuzmenko A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/58Цель исследования

Цель исследования. Изучение влияния внешнего стационарного магнитного поля на процесс фотокаталитической деградации метиленового синего в присутствии ультрадисперсных частиц оксида цинка и при воздействии ультрафиолетового излучения.

Методы

Методы. Определение степени фотохимической деградации красителя метиленового синего методами оптической спектрометрии проводилось с помощью комплекса спектрофотометрического оборудования на базе спектрофотометров СФ-2000 и HR-2000. Характеризация размерного распределения фотокаталитических частиц оксида цинка с помощью атомно-силовой микроскопии SmartSPM (AIST-NT), элементного состава на сканирующем электронном микроскопе JEOL 6610LV с приставкой энергодисперсионного анализа (Oxford), структуры и фазового состава с помощью рентгенофазового анализа на рентгеновском порошковом дифрактометре EMMA (Австралия).

Результаты

Результаты. Диспергированные частицы оксида цинка, синтезированные золь-гель-методом, имеют размер от 30 до 120 нм со средним количественным размером 60 нм. Кристаллографическая структура фотокатализатора по межплоскостным расстояниям соответствует монооксиду цинка гексагональной сингонии. Анализ данных процесса фотокаталитической деградации метиленового синего показывает, что фотоактивность частиц оксида цинка значительно увеличивается в условиях действия внешнего стационарного магнитного поля. Так установлено, что в постоянном магнитном поле величиной 0,56 Тл фотокаталитическая активность частиц ZnO увеличивается на 20%.

Заключение

Заключение. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что введение постоянного магнитного поля позволяет значительно увеличить скорость фотокаталитического разложения метиленового синего. Представленные результаты могут быть применены для промышленной очистки воды от загрязнителей, где, варьируя величину магнитного поля, можно регулировать интенсивность разложения вредных органических веществ.

Purpose of the study

Purpose of the study. Study of the influence of an external stationary magnetic field on the process of photocatalytic degradation of methylene blue in the presence of ultrafine particles of zinc oxide and under the influence of ultraviolet radiation.

Methods

Methods. Determination of the degree of photochemical degradation of the dye methylene blue by optical spectrometry using a set of spectrophotometric equipment based on SF-2000 and HR-2000 spectrophotometers. Characterization of the size distribution of photocatalytic zinc oxide particles using SmartSPM atomic force microscopy (AIST-NT), elemental composition on a JEOL 6610LV scanning electron microscope with an energy dispersive analysis attachment

(Oxford), structure and phase composition using X-ray phase analysis on an EMMA X-ray powder diffractometer (Australia).

Results

Results. Dispersed zinc oxide particles synthesized by the sol-gel method have a size from 30 to 120 nm with an average quantitative size of 60 nm. The crystallographic structure of the photocatalyst at interplane distances corresponds to the zinc monoxide of the hexagonal syngony.   An analysis of the data on the process of photocatalytic degradation of methylene blue shows that the photoactivity of zinc oxide particles increases significantly under the action of an external stationary magnetic field. Thus, it was established that in a constant magnetic field of 0,56 Tl, the photocatalytic activity of ZnO particles increases by 20%.

Conclusion

Conclusion. Based on the experimental data obtained, it can be concluded that the introduction of a constant magnetic field can significantly increase the rate of photocatalytic decomposition of methylene blue. The presented results can be applied to industrial water purification from pollutants. By changing the magnitude of the magnetic field, it is possible to control the intensity of decomposition of pollutants.

оксид цинкафотокаталитическая активностьспектрофотометриястационарное магнитное полеатомно-силовая микроскопияzinc oxidephotocalytic activityspectrophotometrystationary magnetic fieldatomic force microscopyИсследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-02-00599, а также при поддержке Министерства образования и науки РФ (г/з 2020 № 0851-2020-0035), в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашение № 075-15-2021-1213).The reported study was funded by RFBR, project number 20-02-00599 А. This work was also supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (2020 No. 0851-2020-0035), the program of strategic academic leadership "Priority-2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213).ReferencesA multifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration with highperformance semiconductor photoanodes / J. Yang, J. K. Cooper, F. M. Toma, K. A. Walczak, M. Favaro, J. W. Beeman, L. H. Hess, C. Wang, C. Zhu, S. Gul, J. Yano, C. Kisielowski, A. Schwartzberg, I. D. Sharp // Nature Material. 2017. Vol. 16. Р. 335–341. https://doi.org/10.1038/nmat4794.A multifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration with highperformance semiconductor photoanodes / J. Yang, J. K. Cooper, F. M. Toma, K. A. Walczak, M. Favaro, J. W. Beeman, L. H. Hess, C. Wang, C. Zhu, S. Gul, J. Yano, C. Kisielowski, A. Schwartzberg, I. D. Sharp // Nature Material. 2017. Vol. 16. Р. 335–341. https://doi.org/10.1038/nmat4794.Understanding TiO2 photocatalysis mechanisms and materials / J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, D. W. Bahnemann // Chem. Rev. 2014. Vol. 114, no. 9. P. 9919−9986. https://doi.org/10.1021/cr5001892.Understanding TiO2 photocatalysis mechanisms and materials / J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, D. W. Bahnemann // Chem. Rev. 2014. Vol. 114, no. 9. P. 9919−9986. https://doi.org/10.1021/cr5001892.Colmenares J. C., Luque R. Heterogeneous photocatalytic nanomaterials: Prospects and challenges in selective transformations of biomass-derived compounds // Chem. Soc. Rev. 2014. Vol. 43. Р. 765–778. https://doi.org/10.1039/C3CS60262A.Colmenares J. C., Luque R. Heterogeneous photocatalytic nanomaterials: Prospects and challenges in selective transformations of biomass-derived compounds // Chem. Soc. Rev. 2014. Vol. 43. Р. 765–778. https://doi.org/10.1039/C3CS60262A.Steering charge kinetics in photocatalysis: Intersection of materials syntheses, characterization techniques and theoretical simulations / S. Bai, J. Jiang, Q. Zhang, Y. Xiong // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44 (10). Р. 2893–2839. https://doi.org/10.1039/C5CS00064E.Steering charge kinetics in photocatalysis: Intersection of materials syntheses, characterization techniques and theoretical simulations / S. Bai, J. Jiang, Q. Zhang, Y. Xiong // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44 (10). Р. 2893–2839. https://doi.org/10.1039/C5CS00064E.Full-spectrum solar-light-activated photocatalysts for light-chemical energy conversion / X. Wang, F. Wang, Y. Sang, H. Liu // Advanced Energy Materials. 2017. Vol. 7, no. 23. P. 1700473. https://doi.org/10.1002/aenm.201700473.Full-spectrum solar-light-activated photocatalysts for light-chemical energy conversion / X. Wang, F. Wang, Y. Sang, H. Liu // Advanced Energy Materials. 2017. Vol. 7, no. 23. P. 1700473. https://doi.org/10.1002/aenm.201700473.An amorphous carbon nitride photocatalyst with greatly extended visible-lightresponsive range for photocatalytic hydrogen generation / Y. Kang, Y. Yang, L. C. Yin, X. Kang, G. Liu, H. M. Cheng // Advaneed Materials. 2015. Vol. 27 (31). Р. 4572-7. https://doi.org/10.1002/adma.201501939.An amorphous carbon nitride photocatalyst with greatly extended visible-lightresponsive range for photocatalytic hydrogen generation / Y. Kang, Y. Yang, L. C. Yin, X. Kang, G. Liu, H. M. Cheng // Advaneed Materials. 2015. Vol. 27 (31). Р. 4572-7. https://doi.org/10.1002/adma.201501939.Visible light photocatalysis of Methylene blue by graphene-based ZnO and Ag/AgCl nanocomposites / M. Vanitha, Keerthi, S. Vadivel, N. Balasubramanian // Desalination and Water Treatmen. 2015. Vol. 54, no. 10. P. 2748–2756. https://doi.org/10.1080/19443994.2014.903207.Visible light photocatalysis of Methylene blue by graphene-based ZnO and Ag/AgCl nanocomposites / M. Vanitha, Keerthi, S. Vadivel, N. Balasubramanian // Desalination and Water Treatmen. 2015. Vol. 54, no. 10. P. 2748–2756. https://doi.org/10.1080/19443994.2014.903207.Chen Y.-W., Hsu Y.-H. Effects of reaction temperature on the photocatalytic activity of TiO2 with Pd and Cu cocatalysts // Catalysts. 2021. Vol. 11, no. 8 P. 966. https://doi.org/10.3390/catal11080966.Chen Y.-W., Hsu Y.-H. Effects of reaction temperature on the photocatalytic activity of TiO2 with Pd and Cu cocatalysts // Catalysts. 2021. Vol. 11, no. 8 P. 966. https://doi.org/10.3390/catal11080966.Photocatalysis enhanced by external fields / C. Hu, S. Tu, N. Tian, T. Ma, Y. Zhang, H. Huang // Angewandte Chemie. 2021. Vol. 133, no. 30. P. 16445–16464. https://doi.org/10.1002/ange.202009518.Photocatalysis enhanced by external fields / C. Hu, S. Tu, N. Tian, T. Ma, Y. Zhang, H. Huang // Angewandte Chemie. 2021. Vol. 133, no. 30. P. 16445–16464. https://doi.org/10.1002/ange.202009518.Preparation of ZnO photocatalyst for the efficient and rapid photocatalytic degradation of azo dyes / X. Chen, Z. Wu, D. Liu, Z. Gao // Nanoscale Research Letters. 2017. Vol. 12, no. 1. P. 143. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1904-4.Preparation of ZnO photocatalyst for the efficient and rapid photocatalytic degradation of azo dyes / X. Chen, Z. Wu, D. Liu, Z. Gao // Nanoscale Research Letters. 2017. Vol. 12, no. 1. P. 143. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1904-4.One-step pyrolytic synthesis of ZnO nanorods with enhanced photocatalytic activity and high photostability under visible light and UV light irradiation / N. Huang, J. Shu, Z. Wang, M. Chen, C. Ren, W. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 648. P. 919–929. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.039.One-step pyrolytic synthesis of ZnO nanorods with enhanced photocatalytic activity and high photostability under visible light and UV light irradiation / N. Huang, J. Shu, Z. Wang, M. Chen, C. Ren, W. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 648. P. 919–929. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.039.Khan M. M., Lee J., Cho M. H. Au/TiO2 nanocomposites for the catalytic degradation of methyl orange and methylene blue: An electron relay effect // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2014. Vol. 20, no. 4. P. 1584–1590. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2013.08.002.Khan M. M., Lee J., Cho M. H. Au/TiO2 nanocomposites for the catalytic degradation of methyl orange and methylene blue: An electron relay effect // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2014. Vol. 20, no. 4. P. 1584–1590. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2013.08.002.Pugachevskii M. A. Photocatalytic properties of titania nanoparticles obtained by laser ablation // Nanotechnologies in Russia, 2013, Vol. 8, no. 7–8. P. 432–436. https://doi.org/10.1134/S1995078013040125Pugachevskii M. A. Photocatalytic properties of titania nanoparticles obtained by laser ablation // Nanotechnologies in Russia, 2013, Vol. 8, no. 7–8. P. 432–436. https://doi.org/10.1134/S1995078013040125Suppressing photoinduced charge recombination via the lorentz force in a photocatalytic system / W. Gao, J. Lu, S. Zhang, X. Zhang, Z. Wang, W. Qin, J. Wang, W. Zhou, H. Liu, Y. Sang // Advanced Science. 2019. Vol. 6, no. 18. P. 1901244. https://doi.org/10.1002/advs.201901244.Suppressing photoinduced charge recombination via the lorentz force in a photocatalytic system / W. Gao, J. Lu, S. Zhang, X. Zhang, Z. Wang, W. Qin, J. Wang, W. Zhou, H. Liu, Y. Sang // Advanced Science. 2019. Vol. 6, no. 18. P. 1901244. https://doi.org/10.1002/advs.201901244.Magnetic field-enhancing photocatalytic reaction in micro optofluidic chip reactor / H. J. Huang, Y. H. Wang, Y.-F. C. Chau, H.-P. Chiang, J. C.-S. Wu // Nanoscale Research Letters. 2019. Vol. 14, no. 1. P. 323. https://doi.org/10.1186/s11671-019-3153-1.Magnetic field-enhancing photocatalytic reaction in micro optofluidic chip reactor / H. J. Huang, Y. H. Wang, Y.-F. C. Chau, H.-P. Chiang, J. C.-S. Wu // Nanoscale Research Letters. 2019. Vol. 14, no. 1. P. 323. https://doi.org/10.1186/s11671-019-3153-1.Investigation of photocatalytic activity through photo-thermal heating enabled by Fe3O4/TiO2 composite under magnetic field / L. Shi, X. Wang, Y. Hu, Y. He // Solar Energy. 2020. Vol. 196. P. 505–512. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.12.053.Investigation of photocatalytic activity through photo-thermal heating enabled by Fe3O4/TiO2 composite under magnetic field / L. Shi, X. Wang, Y. Hu, Y. He // Solar Energy. 2020. Vol. 196. P. 505–512. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.12.053.Lu Y., Ren B., Chang S., Mi W., He J., Wang W. Achieving effective control of the photocatalytic performance for CoFe2O4/MoS2 heterojunction via exerting external magnetic fields // Materials Letters. 2020. Vol. 260. P. 126979. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126979.Lu Y., Ren B., Chang S., Mi W., He J., Wang W. Achieving effective control of the photocatalytic performance for CoFe2O4/MoS2 heterojunction via exerting external magnetic fields // Materials Letters. 2020. Vol. 260. P. 126979. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126979.The effect of a 0.5 T magnetic field on the photocatalytic activity of recyclable ND-modified BiFeO3 magnetic catalysts / R. Dhanalakshmi, P. Reddy Vanga, M. Ashok, N. V. Giridharan // IEEE Magnetics Letters. 2016. Vol. 7. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/LMAG.2016.2610406.The effect of a 0.5 T magnetic field on the photocatalytic activity of recyclable ND-modified BiFeO3 magnetic catalysts / R. Dhanalakshmi, P. Reddy Vanga, M. Ashok, N. V. Giridharan // IEEE Magnetics Letters. 2016. Vol. 7. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/LMAG.2016.2610406.Enhanced photocatalytic performance through magnetic field boosting carrier transport / J. Li, Q. Pei, R. Wang, Y. Zhou, Z. Zhang, Q. Cao, D. Wang, W. Mi, Y. Du // ACS Nano. 2018. Vol. 12, no. 4. P. 3351–3359. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b08770.Enhanced photocatalytic performance through magnetic field boosting carrier transport / J. Li, Q. Pei, R. Wang, Y. Zhou, Z. Zhang, Q. Cao, D. Wang, W. Mi, Y. Du // ACS Nano. 2018. Vol. 12, no. 4. P. 3351–3359. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b08770.Effect of static magnetic field on photocatalytic degradation of methylene blue over ZnO and TiO2 powders / S. Joonwichien, E. Yamasue, H. Okumura, K. N. Ishihara // Applied Magnetic Resonance. 2012. Vol. 42, no. 1. P. 17–28. https://doi.org/10.1007/s00723-0110270-0.Effect of static magnetic field on photocatalytic degradation of methylene blue over ZnO and TiO2 powders / S. Joonwichien, E. Yamasue, H. Okumura, K. N. Ishihara // Applied Magnetic Resonance. 2012. Vol. 42, no. 1. P. 17–28. https://doi.org/10.1007/s00723-0110270-0.Okumura H. Magnetic field effect (MFE) on heterogeneous photocatalysis and the role of oxygen // International Journal of Magnetics and Electromagnetism. 2016. Vol. 2, no. 1. P. 1–2. https://doi.org/10.35840/2631-5068/6504.Okumura H. Magnetic field effect (MFE) on heterogeneous photocatalysis and the role of oxygen // International Journal of Magnetics and Electromagnetism. 2016. Vol. 2, no. 1. P. 1–2. https://doi.org/10.35840/2631-5068/6504.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.