로다민 B의 광촉매 분해를 위한 칼슘 및 마그네슘 기반 산화물 및 티탄산염의 합성 및 특성 분석: 비교 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3615(2023) 이 기사 인용

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현재 조사에서는 로다민 B 염료의 광촉매 황폐화를 위한 CaO, MgO, CaTiO3 및 MgTiO3의 간단하고 생태학적 합성을 다루고 있습니다. CaO는 닭계란 껍질 폐기물로부터 소성공정을 통해 조달하였고, MgO는 요소를 연료원으로 하는 용액연소법으로 생산하였다. 또한, 합성된 CaO 또는 MgO를 TiO2와 잘 혼합한 후 900 ℃에서 소성함으로써 쉽고 간단한 고체법을 통해 CaTiO3 및 MgTiO3를 합성하였다. XRD 및 EDX 조사를 통해 물질의 상 형성이 확인되었습니다. 더욱이, FTIR 스펙트럼은 제안된 물질의 화학적 조성과 유사한 Ca-Ti-O, Mg-Ti-O 및 Ti-O의 존재를 밝혀냈습니다. SEM 현미경 사진은 CaTiO3의 표면이 MgTiO3에 비해 입자가 상대적으로 분산되어 더 거칠다는 것을 보여주었는데, 이는 CaTiO3의 더 높은 표면적을 반영합니다. 확산 반사 분광법 조사에 따르면 합성된 물질은 UV 조명 하에서 광촉매 역할을 할 수 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 CaO와 CaTiO3는 각각 63%와 72%의 광분해 활성으로 120분 이내에 로다민 B 염료를 효과적으로 분해하였다. 대조적으로, MgO 및 MgTiO3의 광촉매 분해 활성은 훨씬 낮았는데, 이는 조사 120분 후에 각각 21.39% 및 29.44%의 염료만이 분해되었기 때문이다. 또한, Ca 및 Mg 티타네이트 혼합물의 광촉매 활성은 64.63%였습니다. 이러한 발견은 폐수 정화를 위한 잠재적이고 저렴한 광촉매를 설계하는 데 유용할 수 있습니다.

염료는 가장 유해한 오염 물질 중 하나임에도 불구하고 직물, 식품, 플라스틱, 화학 및 타블로이드 산업에서 널리 사용됩니다. 수생 환경으로 배출되면 살아있는 유기체에 심각한 영향을 미칩니다1,2. 색상은 물을 통한 햇빛 침투를 감소시켜 광합성 활동을 감소시키고 생물군 발달을 감소시킵니다. 또한 염료는 금속 이온과 결합하는 경향이 있어 어류 및 기타 생물에 미량 독성을 유발합니다1,3.

일반적으로 염료는 거의 생분해되지 않으며 기존 접근 방식으로는 제거하기가 어렵습니다. 이러한 맥락에서 크산텐 계열에 속하는 로다민 B(RhB)는 견고한 헤테로고리 구조4로 인해 매우 안정적인 양이온 염료입니다. 실제로 RhB 염료의 높은 안정성은 다양한 산업 응용 분야에 유용하지만 분해가 간단하지 않고 어렵습니다5,6,7. 결과적으로, 이러한 오염 물질의 분해를 위한 효율적이고 환경 친화적이며 비용 효과적인 솔루션을 제공하는 것은 녹색 서식지의 장기적인 생존에 매우 중요합니다. 이로 인해 흡착8,9,10, 한외여과11, 화학적 침전12, 전기촉매 분해13, 광분해3,14,15,16 등 폐수에서 염료를 추출하는 데 다양한 기술이 사용되었습니다.

광촉매 분해는 잠재적으로 염료 오염물질로부터 물의 오염을 제거하는 가장 저렴하고 친환경적이며 가장 강력한 기술 중 하나입니다. 즉, 추가로 필요한 시약 없이 극도의 산화 조건을 설정할 수 있으며, 유일한 요구 사항은 호기성 산소와 광 조사 소스의 공급입니다. 전자(e-), 정공(h+), 하이드록실 라디칼(OH·) 및 슈퍼옥사이드 라디칼(O2·-)은 모두 광촉매 분해에 의해 생성될 수 있는 표면 활성 종입니다. 표면 활성 종을 생성하는 광촉매의 능력19,20. 흑연질탄소(g-C3N4), TiO2, ZnO, CdS, CaO, MgO, CaTiO3 및 MgTiO3와 같은 오염물질의 광분해를 위해 촉매 활성을 갖는 다양한 재료가 제안되었습니다3,5,7 ,15,21,22,23,24,25,26.

TiO2와 비교하여 ABO3의 구조식을 갖는 티타늄 기반의 페로브스카이트형 산화물은 흥미로운 광물리적 특성으로 인해 지난 10년 동안 광촉매 분야에서 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. CaTiO3 및 MgTiO3는 레이더 통신, 커패시터, 서미스터, 전자 제품, 세라믹, 초전도체, 비선형 광학, 촉매, 압전 및 유전체 장치와 같은 광범위한 응용 분야에서 활용됩니다27,28,29,30. 게다가, 그들은 다양한 유기 염료에 대한 높은 광촉매 분해 활성을 가지고 있습니다. Ca와 Mg는 지구상에서 가장 풍부한 금속 중 하나이며 그 산화물은 폐기물에서도 합성될 수 있습니다. 이로 인해 다양한 중요한 응용 분야에 적합한 가격이 제공됩니다. CaO, MgO, CaTiO3 또는 MgTiO37,31,32,33,34의 합성에는 열수법, 졸-겔법, 기계화학법, 전통적인 고체 상태 및 고분자 전구체와 같은 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 이러한 물질의 촉매 효율은 최종 표면 형태, 활성 부위 및 물리화학적 특성에 직접적인 영향을 미치는 합성 과정과 전구체에 크게 의존한다는 점을 강조해야 합니다. 더욱이, 이러한 광촉매의 성능은 염료마다 크게 다릅니다.