새로운 Quinazoline에 의한 TiO2 미소구의 감광화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12929(2023) 이 기사 인용

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수질 오염은 지구와 인간의 건강에 심각한 영향을 미치는 세계적인 위협 중 하나입니다. 유기 직물 염료는 전통적인 물리적 방법에 의해 분해될 수 있는 일반적인 유기 수질 오염 물질 중 하나입니다. 반도체를 이용한 광촉매는 폐수 처리를 위한 친환경적이고 효율적이며 지속 가능한 기술로 간주됩니다. 태양 복사의 효율적인 활용을 극대화하려면 넓은 밴드갭 반도체의 효율적인 염료 증감제로 사용할 수 있는 새로운 유기 분자를 탐색하여 성능을 가시광선 영역으로 확장하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 본 연구에서는 확장된 π-π/n-π 접합으로 인해 확장된 가시광선 흡수율을 갖는 염료 감광제로서 QAD 분자의 새로운 구조의 설계 및 합성을 제안하여 TiO2 나노입자의 성능을 향상시킵니다. 가시 광선 영역 및 전하 분리를 향상시킵니다. 물리화학적 특성 분석을 통해 제안된 구조를 사용한 QAD, TiO2 및 QAD/TiO2 샘플의 성공적인 합성이 확인되었습니다. TiO2 표면에 QAD 분자를 고정시키면 TiO2의 광학적 특성이 크게 향상될 뿐만 아니라 밴드갭 에너지를 2.6eV로 감소시켜 일반적인 단점을 극복할 수 있습니다. 이는 e-h 재결합 감소를 나타내는 PL 강도의 현저한 감소 및 전하 분리를 강화하고 400~600nm 범위의 효율적인 가시광 수확 안테나를 생성합니다. 게다가, QAD/TiO2 샘플은 순수한 TiO2와 비교하여 로다민 B 염료의 광분해의 관찰된 속도 상수에서 3배 향상을 달성했습니다. 광분해 과정에 영향을 미치는 매개변수가 최적화되었으며 샘플은 4회 연속 주기 후에 탁월한 안정성을 나타냈습니다. 마지막으로 스캐빈저의 효과를 조사한 결과 \({\mathrm{O}}_{2}^{\cdot -}\)가 가장 반응성이 높은 종이라고 제안되었으며 다음을 기반으로 향상 메커니즘을 제안했습니다. QAD의 HOMO 수준에서 TiO2의 CB로 전자 주입. 마지막으로, 이 연구는 다양한 광촉매/생의학 응용 분야에서 제안된 구조 또는 유사한 구조를 조사하기 위한 다양한 연구의 문을 열어줍니다.

가시광선 구동 반도체 기반 광촉매는 영원히 접근 가능한 태양 에너지를 중요한 목적에 적용할 귀중한 화학 에너지로 변환함으로써 화학 공정을 촉매하기 위해 입사 태양 조사를 효과적으로 수확하고 활용하기 위한 가장 성공적인 녹색 전략 중 하나가 되었습니다. 폐수 처리, 수소 생산, 암모니아 생산, 태양 전지 및 이산화탄소 감소와 같은1,2,3,4,5,6. 다양한 광촉매 중에서 TiO2 나노입자는 가용성, 저비용, 무독성, 뛰어난 광촉매 활성 및 긴 내구성으로 인해 가장 자주 사용되는 반도체로 간주될 수 있습니다7,8,9,10,11,12. 그럼에도 불구하고 상대적으로 넓은 밴드갭 에너지(Anatase의 경우 3.20eV)와 빠른 e-h 재결합 속도는 순수 TiO2 광촉매의 산업적 응용을 방해합니다. 이는 저렴하고 견고하며 효과적이며 혁신적인 가시광 활성 광촉매5,13,14를 찾기 위한 중요한 필요성에 초점을 맞췄습니다. 지난 20년 동안 광학적 흡광도를 가시광선 범위로 확장하고 금속/비금속 도핑을 포함한 다양한 접근법을 통해 전하 분리를 개선함으로써 광대역 간격 광촉매(예: TiO2 및 ZnO)의 광촉매 거동을 향상시키려는 많은 시도가 있었습니다. /co-doping4,7, 반도체 결합15,16,17, 탄소 재료와의 결합8,18 및 염료 감작19,20,21.

식물의 광합성 과정을 시뮬레이션한 결과, 염료 감응은 TiO2 나노입자의 광학 및 광촉매 특성을 향상시키는 가장 유망한 접근법 중 하나로 밝혀졌습니다. 포르피린 기반 TiO2 나노입자19,20에 대한 이전 연구에서 우리는 테트라(4-카르복시페닐)포르피린(TCPP)의 고정이 전체 광학 특성과 TiO2 광촉매의 광촉매 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. (1) e-h 재결합 속도 감소, (2) 수명 향상, (3) 밴드갭 에너지를 약 2.6eV로 감소시키는 것, (4) 가시광선에서의 비활성을 극복하기 위한 뛰어난 가시광선 수집 안테나 구축 (5) 로다민 B(RB) 광분해에 대한 TCPP/TiO2 광촉매의 광촉매 활성을 두 배로 증가시킵니다. 감광제로서 TCPP의 뛰어난 넓은 흡수 능력 외에도 알칼리성 매질(pH > 10)19에서는 불안정한 문제가 있습니다. 유사하게, M. Sedghi22 et al. TiO2/Al을 향상시키고 그 반응을 가시 영역으로 이동시키는 TCPP의 효과를 조사했습니다. 그러나 달성된 RB 제거율(%)은 29.19%에 불과했습니다. E. Valadez-Renteria et al.24는 RB 염료를 효율적으로 분해하는 TiO2:W 복합체에 대한 효율적인 감광제로 녹색 엽록소를 사용했지만 3번째 주기 후에 활성이 약 20% 감소한 것으로 관찰되었습니다. Zyoud 등은23 높은 분해%(> 90%)를 달성하는 태양광 모사광 하에서 페나조피리딘의 효율적인 광분해를 위해 안토시아닌 감응 TiO2 나노입자를 합성했습니다. 그러나 감광제의 손실로 인해 두 번째 사용 후 열화율은 약 55%로 감소했습니다.

5 and positive at pH < 5, which is in good accordance with the reported PZC range of TiO2 in the literature43. Then, the effect of pH has been investigated in the range of pH 2–12 under UV-A irradiation, as shown in Fig. S11, while other factors remained constant; the observed rate constants (kobs) and the corresponding correlation factors (R2) are recorded in Table 2. It is clearly observed that the rate of RB photodegradation was reduced by increasing the pH above 4 in the range of 6–12; this can be attributed to the repulsion between the negatively deprotonated COO- group (pKa = 3.7) and negative QAD/TiO2 catalyst (pHPZC = 5) at this pH range. Besides, another valid reason for this decrease in the photodegradation rates is the fact of the formation of RB zwitterions and their aggregation19,44. The formation of these zwitterions can be attributed to the attractive electrostatic interaction between the negatively charged carboxyl groups (–COO−) and the positively charged amino groups (–N+) in the RB monomers, and consequently forming a dimer structure with a larger molecular form which hinders its interaction with the active sites of QAD/TiO2 photocatalyst19,44. On the other hand, at pH 2, both RB and QAD/TiO2 are positively charged; thus, there would be an electrostatic repulsion between them, which reduces the photodegradation rates at very low pH values. However, the optimum pH value was pH 4, where there will be an attraction between the positively charged QAD/TiO2 surface and the negatively charged RB molecules, which facilitates the approach of the RB molecules toward the active sites of photodegradation on the as-synthesized QAD/TiO2 sample. Finally, it is important to state that there are no peaks corresponding to the QAD molecules have been observed in the UV–Visible spectra even at higher pH values indicating the stability of the QAD molecules under harsh conditions19. Hence, the following photodegradation experiments will be operated at the optimized pH value of 4./p>

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