توصيفگر ها :
كربن نيتريد گرافيتي , تيتانيوم دياكسيد , فوتوكاتاليست , ساختار ناهمگون
چكيده فارسي :
تخريب رنگهاي آلي در فاضلاب به دليل سميت و مقاومت در برابر عوامل بيولوژيكي و روشهاي سنتي تصفيه، يك چالش زيست محيطي مهم است. فوتوكاتاليز به عنوان يك راه حل اميدواركننده ظاهر شده است و از انرژي خورشيدي براي كاهش آلايندهها به مواد بيضرر استفاده ميكند. در اين پژوهش، كارآيي يك ساختار ناهمگون TiO2/g-C3N4 (كه g-C3N4 در حالتهاي بالك و لايهبرداري شده قبل و پس از آلايش با بور حضور دارد) به عنوان يك فوتوكاتاليست براي تخريب رنگ بررسي شد. نانوهيبريد از طريق روش سل ژل با رشد درجاي نانوذرات تيتانيوم دياكسيد روي ساختار كربن نيتريد گرافيتي فرآوري شد و به دنبال آن مشخصهيابي با استفاده از پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FE-SEM)، طيفسنجي فروسرخ تبديل فوريه (FTIR) و طيفسنجي بازتابي نفوذي(DRS) انجام شد. عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي با استفاده از RhB به عنوان رنگ مدل ارزيابي شد. نتايج نشان داد كه هيبريد TGCNB كه با g-C3N4 درحالت لايهبرداري شده و آلايش يافته با بورفرآوري شد، فعاليت فوتوكاتاليستي برتري نسبت به TiO2 خالص و g-C3N4 بور آلايش يافته (GCNB) نشان ميدهد. عملكرد افزايش يافته به اثرات همافزايي لايهبرداري و آلايش با بور و تشكيل ناهمگوني بين TiO2 وGCNB نسبت داده ميشود. آلايش با بور به طور موثر شكاف باند g-C3N4 را كاهش داد و در اثرلايهبرداري شكاف باند افزايش پيدا كرد و سطح ويژه و تعداد سايتهاي فعال نيز متعاقبا زياد شد. اثر هم افزايي اين دو باعث افزايش شكاف باند از eV65/2 بهeV3 شد و جذب بهتر نور مرئي را تسهيل كرد. علاوه بر اين، ساختار ناهمگوني جداسازي و انتقال بار كارآمد را ارتقا داد و نرخ بازتركيبي جفتهاي الكترون-حفره را كاهش داد. در ادامه اثر درصد اجزاي مختلف ساختارناهمگون بهينه بر نرخ فعاليت فوتوكاتاليستي بررسي شد و ساختار ناهمگون با نسبت اجزاي 50-50 به عنوان ساختار بهينه معرفي شد. راندمان تخريب RhB با غلظت ppm 10 در عرض 160 دقيقه پس از تابش به 86٪ رسيد كه به طور قابل توجهي بيشتر از اجزاي جداگانه (برايGCNB%0 و براي TiO2 5/%35) است. به منظور اثبات جداسازي موثر جفت الكترون حفره در ساختار ناهمگوني و كاهش باز تركيب الكترون-حفره، آزمونهاي فوتولومينسانس(PL)، امپدانس الكتروشيميايي (EIS)و چگالي جريان(PC) در پيش گرفته شد. بررسيها نشان داد كه گونههاي فعال اوليه درگير در فرآيند تخريب، راديكالهاي هيدروكسيل (•OH) و راديكالهاي سوپراكسيد (O2•-) هستند. با توجه به تغييرات طيف جذبي UV-VIS و تغيير رنگ RhB طي فرآيند تخريب، مكانيسم تخريب رنگ پيشنهاد شد. پارامترهاي موثر بر فرآيند تخريب رنگ فوتوكاتاليستي از جمله ميزان فوتوكاتاليست، غلظت رنگ و pH بهينه نيز محاسبه شدند. پايداري و قابليت استفاده مجدد از فوتوكاتاليست TGCNB مورد ارزيابي قرار گرفت، كه حداقل از دست دادن فعاليت را پس از سه چرخه متوالي نشان داد. در نهايت با استفاده از نتايج، مكانيسم پيشنهادي تخريب و گونههاي اكسيژن فعال موثر، مكانيسم انتقال الكترون در ساختار ناهمگوني، نوع Z معرفي شد. در نتيجه، ساختار ناهمگون TGCNB يك فوتوكاتاليست كارآمد و پايدار براي تخريب رنگهاي آلي تحت نور مرئي ارائه ميكند. اين مطالعه پتانسيل آلايش با عنصر غير فلزي و مهندسي ساختار ناهمگون را در افزايش عملكرد فوتوكاتاليستي مواد نيمههادي برجسته ميكند.
چكيده انگليسي :
Degradation of organic dyes in wastewater poses a significant environmental challenge due to their toxicity and resistance to biological factors and traditional treatment methods. Photocatalysis has emerged as a promising solution that uses solar energy to reduce pollutants to harmless substances. This research investigated the efficiency of a TiO2/g-C3N4 heterogeneous structure (where g-C3N4 is present in bulk and exfoliated states before and after doping with boron) as a photocatalyst for dye degradation.The nanohybrid was synthesised through the sol-gel method by in situ growth of titanium dioxide nanoparticles on graphitic carbon nitride structure, followed by characterization using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS). The photocatalytic performance was evaluated under visible light irradiation using RhB as a model dye. The results showed that the hybrid TGCNB, which was processed with g-C3N4 in the exfoliated state and doped with boron, shows a superior photocatalytic activity compared to pure TiO2 and boron-doped g-C3N4 (GCNB). The enhanced performance is attributed to the synergistic effects of exfoliation, boron doping, and heterojunction formation between TiO2 and GCNB. Boron effectively reduced the g-C3N4 band gap, but after exfoliation, the band gap increased, resulting in an increase in the specific surface area and the number of active sites. The band gap was increased from 2.65eV to 3 eV by the synergetic effect of these two. Furthermore, the heterostructure contributed to efficient charge separation and decreased the recombination rate of electron-hole pairs. Next, the effect of the percentage of different components of the optimal heterostructure on the rate of photocatalytic activity was investigated, and the heterostructure with a ratio of 50-50 components was introduced as the optimal structure. The degradation efficiency of RhB reached 86% within 160 minutes after irradiation, which is significantly higher than the individual components. To prove that electron-hole pairs in the heterostructure are effectively separated and that they cannot recombine, photoluminescence (PL), electrochemical impedance (EIS), and current density (PC) tests were performed. The degradation process involves hydroxyl radicals (•OH) and superoxide radicals (O2•-), as shown by scavengers. The mechanism of color degradation was proposed based on the changes in the UV-VIS absorption spectrum and RhB's color change during the degradation process. The effective parameters of photocatalytic dye degradation process, such as photocatalyst amount, dye concentration, and optimal pH, were also examined. The TGCNB photocatalyst was assessed for stability and reusability, and there was no significant loss of activity after three cycles. Finally, based on the gained results, the proposed degradation mechanism, and effective reactive oxygen species, the electron transfer mechanism in the heterostructure was introduced as Z type. In conclusion, the heterostructure of TGCNB provides an efficient photocatalyst for the degradation of organic dyes under visible light. This study highlights the potential of non-metallic element doping and heterostructure engineering in enhancing the photocatalytic performance of semiconductor materials.