Исследование фотокаталитической активности оксида цинка в магнитном поле

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. 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. 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. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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/S1995078013040125

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.