Tìm hiểu các nội dung liên quan đến các khối xốp nguyên khối WO3/SiO2 | Lí thuyết Hoá đại cương | Trường Đại học khoa học Tự nhiên

Article:
Highly reusable visible light active hierarchical porous
WO3/SiO2 monolith in centimeter length scale for enhanced photocatalytic
degradation of toxic pollutants Highlights
*Visible light-active WO3/SiO2 monoliths were synthesized by vacuum impregnation method.
*The monoliths proficiently degraded toxic dye methylene blue and insectide imidacloprid.
*The solid rock-like structure of monolith is easy to separate from reaction mixture.
*High reusability of monolith is helpful for its use at large scale for wastewater treatment. Abstract
To develop techniques like photocatalytic degradation of toxic-pollutants to reduce water pollution is
essential as every human being has the right to have an access to safe water. Metal oxide monoliths
have a huge significance regarding this due to their easy-to-separate nature. Porous WO3/SiO2
monoliths were synthesized by vacuum-impregnation of sodium tungstate in silica monoliths and
calcination. The XRD spectra confirmed the successful formation of monolith and the morphological
studies were done by FESEM exhibiting a connected porous network structure. The elemental-state
and uniform elemental-distribution were analyzed by XPS and EDS. BET analysis showed that
monoliths displayed multimodal porosity with pore-diameter of 0.70–14.71 nm and high surface area
(82 m2/g). DRS revealed that the monolith had a narrow band gap (2.5 eV), which is suitable for
visible light photocatalysis. The photocatalytic performance of monolith was estimated by
degradation of model-pollutant methylene blue (MB) under visible-light illumination. High
photocatalytic efficiency (91%) and rate constant (0.013 min−1) was observed at natural pH of the dye
(pH 7.5). The effect of pH and catalyst concentration was explored which revealed that best
degradation occurred at pH 3 (97.5%) and catalyst concentration 0.4 g/L (96%). The trapping
experiments suggested that the holes were governing reactive-species in the reaction. The
photocatalyst was reused for 5 consecutive cycles (80% degradation). The characterization-results of
monolith after 2nd cycle of photodegradation explicated its stability. A colorless-pollutant
(Imidacloprid) was also degraded to distinguish between direct and indirect photocatalysis. A
comparative study was also done with reported catalysts in literature regarding MB degradation. Graphical abstract Introduction
Dyes are natural or man-made colored compounds that 昀椀 nd various applica 琀椀 ons not only in
tex 琀椀 le industry but also in food industry, cosme 琀椀 cs, dye sensi 琀椀 zed solar cells, UV
protec 琀椀 ve clothing, as pH indicator, paper, leather etc [1], [2]. Dye pollutants enter the natural
water bodies and impact environment and eventually human health really adversely. The tex 琀椀 le
industry is one of the key role players in water pollu 琀椀 on globally. As reported in 2015, above
20% of the recorded levels of water pollu 琀椀 on in some countries like Turkey, Indonesia and China
are caused by tex 琀椀 le industry [3]. This extremely harmful and colored waste not only
depreciates the water quality but also elevates the toxicity. The improper dumping of tex 琀椀 le e
昀툀 uents is also related with carcinogenicity and mutagenicity [2], [4]. Apart from dyes, colorless
pollutants like pes 琀椀 cides and other phenolic compounds are a fatal threat to environment [5],
[6]. This is why; it is essen 琀椀 ally need of the hour to remove these harmful and poten 琀椀 ally
lethal moie 琀椀 es before they get discharged into aqueous media [7]. Several methods have been
tried to eradicate the unremi 琀 ng pollutants discharged into aqua 琀椀 c domain such as adsorp 琀
椀 on, chemical precipita 琀椀 on, solvent extrac 琀椀 on, biological process, sedimenta 琀椀 on
and electrochemical processes [6], [8]. However, these methods proceed rather slowly, require
temperature/pressure control and are not cost friendly. Addi 琀椀 onally, these methods don’t
completely eliminate the major pollutant but may lead to its transforma 琀椀 on into minor
pollutants that require further removal [9]. However, photocatalysis is considered a compara 琀椀
vely be 琀琀 er op 琀椀 on and has come across as a very appealing choice for the degrada 琀椀 on
of dyes and waste water treatment. It a 琀琀 ributes to the simplicity, cost-friendliness, high e 昀
케 ciency of photocatalysis and the tendency to make use of sunlight for the exclusion of organic
pollutants with the help of a solid photocatalyst. Further, through photocatalysis, toxic pollutants can
be completely eradicated as the dye can be transformed to CO2 and H2O [9].
Metal oxides like titanium dioxide (TiO2) synthesized from different methods have been explored
extensively in this respect [10], [11]. However, TiO2 exhibits unsatisfactory photoactivity in visible
light owing to its large band-gap (~3.2 eV). In addition, the UV radiation needed for the excitation of
TiO2 constitutes only about 4–5% in the solar spectrum which restrains the practical applications [9],
[12]. Many interesting nanostructures are being designed nowadays for photocatalysis [9], [13], [14].
Recently, tungsten trioxide (WO3) has emerged as a noteworthy photocatalyst. WO3 is an n-type
semiconductor having a relatively small energy band gap (2.4–2.8 eV) and high oxidation power of
valence band (VB) holes (+3.1–3.2 VNHE). Therefore it can prove to be effective in visible region.
Moreover, it is harmless, inexpensive, corrosion-free and stable in oxidative conditions and aqueous
media over a wide pH range [15], [16]. The WO3-based photocatalysts have found applications not
only in photodegradation but various domains like air purification, CO2 photoreduction, treatment of
heavy metal ions, disinfection of bacteria, hydrogen evolution from water splitting etc. But, a low
surface area and moderate solubility discourages it from being a naturally efficient photocatalyst [17].
Nevertheless, morphological modifications can help in rectifying this shortcoming. Enhancement in
the surface area could help to improve the photocatalytic activity and efficiency because
photodegradation is typically a surface-based process. In this respect, different morphologies of WO3
have been investigated to date such as, one-dimensional nanostructures like nanorods, nanotubes,
nanofibres, two- dimensional nanosheets, three- dimensional porous structures and quantum-confined
WO3 nanoparticles [18], [19], [20], [21], [22], [23]. Innumerable methods have been reported for WO3
nanostructure synthesis like hydrothermal reactions [18], chemical vapour deposition (CVD) [19],
template-mediated synthesis [20], thermal evaporation [21], electrochemical techniques [22] and the
sol-gel process [23]. However, these methods are not very efficient and also it can be seen from the
literature that most of these synthesized metal oxides are in a powder or liquid form. The repercussion
of this fact is that these catalysts make a miscible suspension with water that further requires filters of
superior grade and sophisticated instruments for its separation from the solution. One way out of this
problem is to use metal oxide monoliths having rock like structure in centimeter scale [7] which have
drawn huge interest recently owing to the multimodal porosity offered by them [24], [25]. Firstly the
silica monoliths are prepared which are later used to synthesize hierarchically porous metal oxide
monoliths. It is reported that silica monoliths of nearly any shape can be designed having both
interconnected macropores along with textural mesoporosity [26]. Hierarchical photocatalysts have
high surface area and increased number of active sites which speeds up the reaction kinetics on
surface along with greater light uptake and transport kinetics [27]. This method is easy to use,
economical and gives a highly porous catalyst having very high surface area. Further, the surface of
WO3 acquires highly negative surface charges due to low isoelectric point (IEP = 0.2–1) making it
suitable for adsorption particularly for cationic dyes like Rhodamine B and Methylene blue (MB) etc [28].
MB is a cationic thiazine dye having an intense color and finds application in dyeing and printing
[29]. It is reported to have a detrimental neurotoxic effect on the central nervous system [30], and a
prolonged contact to it could cause several ailments like nausea, anemia and hypertension [31].
Therefore, it is vital to study the efficient ways to remove it from waste water [32]. Azimirad et al.
reported 85% photodegradation in 140 min using 3D graphene foam-WO3 [33], whereas Dinari et
al. reported 75% photodegradation in 150 min using WO3/NWCNT [34]. Prabhu et al. also reported
65% photodegradation in 60 min using rGO-WO3 [35]. However, the monolithic
WO3/SiO2 nanostructures have not been used for the photocatalytic degradation of MB before and not
much has been reported in the literature about them [36], [37]. Further, imidacloprid is an insecticide
which belongs to the ‘neonicotinoids’. It is profoundly used in the pest control in agricultural fields.
However, it is quite hazardous for non-target soil organisms like earthworms and bees which led to its
ban in France. Its toxic effect on agrosystems, organisms and human health requires attention [38].
The present work deals with the synthesis of porous WO3/SiO2 monolith by simple impregnation
method and examination of its photocatalytic application thereafter. Here, first SiO2 monoliths were
synthesized by sol-gel method that act as a catalyst support and then further impregnation of WO3
precursor was carried out to obtain desired product. This photocatalyst was then used for the
photodegradation of model dye MB. Different parameters like effects of pH of dye, concentration of
catalyst were studied along with a comparison of photocatalytic activity of other photocatalysts
reported in literature. Trapping experiments were also done to examine the governing reactive species
in the mechanism of degradation and the reusability of photocatalyst was also investigated. The
catalyst was also characterized after 2 cycles of photodegradation to justify its high reusability
efficiency. Photodegradation of colorless insecticide, Imidacloprid (IC) was also carried out to
differentiate between direct and indirect photocatalysis. The originality of this investigation lies in the
fact that WO3/SiO2 monoliths prepared by simple vacuum impregnation method have not been used
for the photocatalysis purpose before with an extensive study of various factors affecting photodegradation. Materials and methods
Tetraethoxysilane (TEOS) was acquired from Alfa Aesar. Polyethylene glycol (PEG) (MW
35,000 g/mol), Cetyltrimethyl bromide (CTAB) and Imidacloprid were obtained from Sigma-Aldrich.
Ammonia (28–30%), Hydrochloric acid (37%), Nitric acid (69%), Sodium Tungstate Dihydrate and
Methylene blue were bought from Merck. All the reagents were of analytical grade and were
employed with no more purification. Milli-Q water was used for the preparation of solutions.
Nitrogen adsorption/desorption analysis
From N2 adsorption-desorption isotherms studies (Fig. 1a), type IV isotherm was obtained for the
synthesized monolith which shows the presence of mesopores. The H1 hysteresis loop with sharp
adsorption and desorption branches verifies the regularity of pore size and shape of the monoliths.
The pore size distribution was deduced using the BJH method and it confirms the mesoporous nature
of the monoliths (Fig. 1b). The BET method was followed to analyze surface area, mean pore diameter and mean Conclusion
Mesoporous silica supported metal-oxide (WO3/SiO2) monoliths were fabricated by simple vacuum
impregnation method and subsequently employed as a photocatalyst that is visible light active for the
photocatalytic degradation of a model dye, Methylene blue and a model colorless insecticide,
Imidacloprid. The characterization of the sample was done using BET N2 adsorption-desorption,
FESEM, EDS, DRS, XRD and XPS analysis. The results of these analyses revealed that WO3 is well formed and uniformly Dịch:
Khối xốp nguyên khối WO 3 /SiO 2 hoạt động bằng
ánh sáng nhìn thấy có khả năng tái sử dụng cao ở thang đo chiều
dài centimet để tăng cường phân hủy quang xúc tác của các chất ô nhiễm độc hại Điểm nổi bật
*Các khối WO 3 /SiO 2 hoạt động bằng ánh sáng nhìn thấy được tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm chân không.
*Các khối đá nguyên khối có khả năng phân hủy thành công thuốc nhuộm xanh methylene độc hại và
imidacloprid thuốc trừ sâu.
*Cấu trúc nguyên khối giống như đá rắn dễ dàng tách khỏi hỗn hợp phản ứng.
*Khả năng tái sử dụng cao của đá nguyên khối rất hữu ích cho việc sử dụng nó ở quy mô lớn để xử lý
nước thải . trừu tượng
Việc phát triển các kỹ thuật như phân hủy quang xúc tác của các chất ô nhiễm độc hại để giảm ô
nhiễm nước là điều cần thiết vì mỗi con người đều có quyền tiếp cận với nước an toàn. Các khối oxit
kim loại có ý nghĩa rất lớn liên quan đến vấn đề này do tính chất dễ tách của chúng. Các khối xốp WO
3 /SiO 2 được tổng hợp bằng cách ngâm chân không natri tungstate trong các khối silic và nung. Phổ
XRD đã xác nhận sự hình thành thành công của khối nguyên khối và các nghiên cứu hình thái được
thực hiện bởi FESEM cho thấy cấu trúc mạng xốp được kết nối. Trạng thái nguyên tố và phân phối
nguyên tố đồng nhất được phân tích bằng XPS và EDS. Phân tích BET cho thấy các khối đá nguyên
khối có độ xốp đa phương thức với đường kính lỗ rỗng là 0,70–14,71 nm và diện tích bề mặt cao (82
m 2 /g). DRS tiết lộ rằng khối đá nguyên khối có khoảng cách dải hẹp (2,5 eV), phù hợp cho quá trình
quang xúc tác ánh sáng khả kiến. Hiệu suất quang xúc tác của đá nguyên khối được ước tính bằng sự
phân hủy màu xanh methylene gây ô nhiễm mô hình (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Hiệu suất quang
xúc tác cao (91%) và hằng số tốc độ (0,013 phút −1 ) được quan sát thấy ở độ pH tự nhiên của thuốc
nhuộm (pH 7,5). Ảnh hưởng của pH và nồng độ chất xúc tác đã được khám phá cho thấy sự phân hủy
tốt nhất xảy ra ở pH 3 (97,5%) và nồng độ chất xúc tác 0,4 g/L (96%). Các thí nghiệm bẫy cho thấy
rằng các lỗ trống đang chi phối các loài phản ứng trong phản ứng. Chất xúc tác quang được tái sử
dụng trong 5 chu kỳ liên tiếp (phân hủy 80%). Kết quả mô tả đặc tính của đá nguyên khối sau chu kỳ
phân hủy quang thứ 2 đã giải thích tính ổn định của nó. Một chất ô nhiễm không màu (Imidacloprid)
cũng bị phân hủy để phân biệt giữa xúc tác quang trực tiếp và gián tiếp. Một nghiên cứu so sánh cũng
đã được thực hiện với các chất xúc tác được báo cáo trong tài liệu về sự phân hủy MB.
Trừu tượng đồ họa Giới thiệu
Thuốc nhuộm là các hợp chất màu tự nhiên hoặc nhân tạo có nhiều ứng dụng không chỉ trong ngành
dệt may mà còn trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm,
quần áo chống tia cực tím, làm chất chỉ thị pH, giấy, da, v.v. [1], [2] . Các chất ô nhiễm thuốc nhuộm
xâm nhập vào các vùng nước tự nhiên và tác động đến môi trường và cuối cùng là sức khỏe con người
thực sự bất lợi. Ngành dệt may là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước trên toàn
cầu. Theo báo cáo năm 2015, trên 20% mức ô nhiễm nước được ghi nhận ở một số quốc gia như Thổ
Nhĩ Kỳ, Indonesia và Trung Quốc là do ngành dệt may gây ra [3]. Chất thải có màu và cực kỳ độc hại
này không chỉ làm giảm chất lượng nước mà còn làm tăng độc tính. Việc thải bỏ nước thải dệt may
không đúng cách cũng liên quan đến khả năng gây ung thư và gây đột biến [2], [4]. Ngoài thuốc
nhuộm, các chất ô nhiễm không màu như thuốc trừ sâu và các hợp chất phenolic khác là mối đe dọa
nghiêm trọng đối với môi trường [5], [6]. Đây là lý do tại sao; về cơ bản cần phải mất hàng giờ để loại
bỏ các thành phần có hại và có khả năng gây chết người này trước khi chúng được thải vào môi
trường nước [7]. Một số phương pháp đã được thử nghiệm để loại bỏ các chất ô nhiễm không ngừng
thải vào môi trường thủy sản như hấp phụ, kết tủa hóa học, chiết dung môi, quá trình sinh học, lắng
đọng và các quá trình điện hóa [6], [8]. Tuy nhiên, các phương pháp này tiến hành khá chậm, yêu cầu
kiểm soát nhiệt độ/áp suất và không tiết kiệm chi phí. Ngoài ra, các phương pháp này không loại bỏ
hoàn toàn chất gây ô nhiễm chính nhưng có thể dẫn đến việc chuyển đổi nó thành các chất ô nhiễm
nhỏ cần loại bỏ thêm [9]. Tuy nhiên, xúc tác quang được coi là một lựa chọn tương đối tốt hơn và
được coi là một lựa chọn rất hấp dẫn để phân hủy thuốc nhuộm và xử lý nước thải. Nó quy cho tính
đơn giản, thân thiện với chi phí, hiệu quả quang xúc tác cao và xu hướng sử dụng ánh sáng mặt trời để
loại trừ các chất ô nhiễm hữu cơ với sự trợ giúp của chất xúc tác quang rắn. Hơn nữa, thông qua quá
trình quang xúc tác, các chất ô nhiễm độc hại có thể được loại bỏ hoàn toàn vì thuốc nhuộm có thể
chuyển thành CO 2 và H 2 O [9].
Các oxit kim loại như titan dioxide (TiO 2 ) được tổng hợp từ các phương pháp khác nhau đã được
khám phá rộng rãi về mặt này [10], [11]. Tuy nhiên, TiO 2 thể hiện hoạt tính quang học không đạt yêu
cầu trong ánh sáng khả kiến do vùng cấm lớn (~3,2 eV). Ngoài ra, bức xạ UV cần thiết để kích thích
TiO 2 chỉ chiếm khoảng 4–5% trong quang phổ mặt trời, điều này hạn chế các ứng dụng thực tế [9],
[12]. Ngày nay, nhiều cấu trúc nano thú vị đang được thiết kế cho xúc tác quang [9], [13], [14]. Gần
đây, vonfram trioxide (WO 3 ) đã nổi lên như một chất xúc tác quang đáng chú ý. WO 3 là chất bán
dẫn loại n có khe năng lượng tương đối nhỏ (2,4–2,8 eV) và khả năng oxy hóa cao của các lỗ trống
dải hóa trị (VB) (+3,1–3,2 V NHE ). Vì vậy nó có thể tỏ ra hiệu quả trong vùng khả kiến. Hơn nữa, nó
vô hại, rẻ tiền, không bị ăn mòn và ổn định trong điều kiện oxy hóa và môi trường nước trong phạm
vi pH rộng [15], [16]. Chất xúc tác quang dựa trên WO 3 đã tìm thấy các ứng dụng không chỉ trong
quá trình phân hủy quang mà còn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như lọc không khí, khử quang CO 2
, xử lý các ion kim loại nặng, khử trùng vi khuẩn, tạo ra hydro từ quá trình tách nước, v.v. Tuy nhiên,
diện tích bề mặt thấp và độ hòa tan vừa phải không khuyến khích nó trở thành chất xúc tác quang hiệu
quả tự nhiên [17]. Tuy nhiên, sửa đổi hình thái có thể giúp khắc phục thiếu sót này. Việc tăng cường
diện tích bề mặt có thể giúp cải thiện hoạt tính và hiệu suất quang xúc tác vì quá trình phân hủy quang
thường là một quá trình trên bề mặt. Về mặt này, các hình thái khác nhau của WO 3 đã được nghiên
cứu cho đến nay, chẳng hạn như cấu trúc nano một chiều như thanh nano, ống nano, sợi nano, tấm
nano hai chiều, cấu trúc xốp ba chiều và hạt nano WO 3 giới hạn lượng tử [18], [ 19], [20], [21], [22],
[23]. Vô số phương pháp đã được báo cáo cho WO 3tổng hợp cấu trúc nano như phản ứng thủy nhiệt
[18], lắng đọng hơi hóa học (CVD) [19], tổng hợp qua trung gian khuôn mẫu [20], bay hơi nhiệt [21],
kỹ thuật điện hóa [22] và quá trình sol-gel [23]. Tuy nhiên, những phương pháp này không hiệu quả
lắm và cũng có thể thấy từ tài liệu rằng hầu hết các oxit kim loại tổng hợp này đều ở dạng bột hoặc
dạng lỏng. Hậu quả của thực tế này là các chất xúc tác này tạo ra huyền phù có thể trộn được với
nước, điều này đòi hỏi phải có các bộ lọc loại cao cấp và các dụng cụ tinh vi để tách nó ra khỏi dung
dịch. Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng các khối oxit kim loại có cấu trúc giống đá ở quy
mô centimet [7] đã thu hút được sự quan tâm rất lớn gần đây do độ xốp đa phương thức mà chúng
mang lại [24], [25]. Đầu tiên, các khối silic được chuẩn bị, sau đó được sử dụng để tổng hợp các khối
oxit kim loại xốp có trật tự. Người ta báo cáo rằng các khối silic có hình dạng gần như bất kỳ có thể
được thiết kế có cả các lỗ lớn liên kết với nhau cùng với độ xốp kết cấu [26]. Các chất xúc tác quang
phân cấp có diện tích bề mặt cao và số lượng vị trí hoạt động tăng lên giúp tăng tốc động học phản
ứng trên bề mặt cùng với động học hấp thụ ánh sáng và vận chuyển lớn hơn [27]. Phương pháp này dễ
sử dụng, tiết kiệm và tạo ra chất xúc tác có độ xốp cao, diện tích bề mặt rất cao. Hơn nữa, bề mặt của
WO 3 thu được điện tích bề mặt âm cao do điểm đẳng điện thấp (IEP = 0,2–1) khiến nó thích hợp để
hấp phụ đặc biệt đối với thuốc nhuộm cation như Rhodamine B và xanh Methylene (MB), v.v. [28].
MB là thuốc nhuộm thiazine cation có màu sắc đậm và được ứng dụng trong nhuộm và in [29]. Nó
được cho là có tác dụng gây độc thần kinh bất lợi đối với hệ thần kinh trung ương [30] và việc tiếp
xúc lâu dài với nó có thể gây ra một số bệnh như buồn nôn, thiếu máu và tăng huyết áp [31]. Vì vậy,
điều quan trọng là nghiên cứu các cách hiệu quả để loại bỏ nó khỏi nước thải [32]. Azimirad và cộng
sự . báo cáo sự phân hủy quang học 85% trong 140 phút sử dụng bọt graphene 3D-WO 3 [33], trong
khi Dinari et al . báo cáo sự phân hủy quang học 75% trong 150 phút khi sử dụng WO 3 /NWCNT
[34]. Prabhu và cộng sự. cũng báo cáo sự phân hủy quang 65% trong 60 phút khi sử dụng rGO-WO 3
[35]. Tuy nhiên, cấu trúc nano WO 3 /SiO 2 nguyên khối chưa được sử dụng cho quá trình phân hủy
quang xúc tác của MB trước đây và không có nhiều tài liệu về chúng được báo cáo [36], [37]. Hơn
nữa, imidacloprid là một loại thuốc trừ sâu thuộc nhóm 'neonicotinoids'. Nó được sử dụng sâu sắc
trong việc kiểm soát dịch hại trong các lĩnh vực nông nghiệp. Tuy nhiên, nó khá nguy hiểm đối với
các sinh vật không phải mục tiêu trong đất như giun đất và ong, dẫn đến lệnh cấm ở Pháp. Tác dụng
độc hại của nó đối với hệ thống nông nghiệp, sinh vật và sức khỏe con người cần được chú ý [38].
Công việc hiện tại đề cập đến việc tổng hợp khối xốp WO 3 /SiO 2 bằng phương pháp ngâm tẩm đơn
giản và kiểm tra ứng dụng quang xúc tác của nó sau đó. Ở đây, khối SiO 2 đầu tiên được tổng hợp
bằng phương pháp sol-gel đóng vai trò là chất xúc tác hỗ trợ và sau đó tiến hành ngâm tẩm thêm tiền
chất WO 3 để thu được sản phẩm mong muốn. Chất xúc tác quang này sau đó được sử dụng để phân
hủy quang của thuốc nhuộm mô hình MB. Các thông số khác nhau như ảnh hưởng của độ pH của
thuốc nhuộm, nồng độ chất xúc tác đã được nghiên cứu cùng với việc so sánh hoạt tính quang xúc tác
của các chất xúc tác quang khác được báo cáo trong tài liệu. Các thí nghiệm bẫy cũng được thực hiện
để kiểm tra các loài phản ứng chủ đạo trong cơ chế phân hủy và khả năng tái sử dụng của chất xúc tác
quang cũng đã được nghiên cứu. Chất xúc tác cũng được đặc trưng sau 2 chu kỳ phân hủy quang để
chứng minh hiệu quả tái sử dụng cao của nó. Sự phân hủy quang học của thuốc trừ sâu không màu,
Imidacloprid (IC) cũng được thực hiện để phân biệt giữa quang xúc tác trực tiếp và gián tiếp. Điểm
độc đáo của nghiên cứu này nằm ở chỗ các khối WO 3 /SiO 2 được điều chế bằng phương pháp ngâm
chân không đơn giản chưa từng được sử dụng cho mục đích quang xúc tác trước đây với một nghiên
cứu sâu rộng về các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến quá trình phân hủy quang.
Nguyên liệu và phương pháp
Tetraethoxysilane (TEOS) được mua lại từ Alfa Aesar. Polyethylene glycol (PEG) (MW 35.000
g/mol), Cetyltrimethyl bromide (CTAB) và Imidacloprid được lấy từ Sigma-Aldrich. Amoniac (28–
30%), Axit clohydric (37%), Axit Nitric (69%), Natri Tungstate Dihydrat và xanh Methylene được
mua từ Merck. Tất cả các thuốc thử đều thuộc loại phân tích và được sử dụng không cần tinh chế
thêm. Nước Milli-Q được sử dụng để chuẩn bị dung dịch.
Phân tích hấp phụ/giải hấp nitơ
Từ các nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N 2 (Hình 1a), đường đẳng nhiệt loại IV thu
được cho đá nguyên khối tổng hợp cho thấy sự hiện diện của lỗ trung mô. Vòng trễ H1 với các nhánh
hấp phụ và giải hấp sắc nét xác minh tính đều đặn của kích thước lỗ rỗng và hình dạng của các khối
nguyên khối. Sự phân bố kích thước lỗ rỗng được suy ra bằng phương pháp BJH và nó xác nhận tính
chất trung bình của các khối nguyên khối (Hình 1b). Phương pháp BET được áp dụng để phân tích
diện tích bề mặt, đường kính lỗ rỗng trung bình và Phần kết luận
Các khối nguyên khối oxit kim loại (WO 3 /SiO 2 ) được hỗ trợ bằng silica trung tính được chế tạo
bằng phương pháp ngâm tẩm chân không đơn giản và sau đó được sử dụng làm chất xúc tác quang
hoạt động bằng ánh sáng nhìn thấy để phân hủy quang xúc tác của thuốc nhuộm mô hình, xanh
Methylene và thuốc trừ sâu không màu mô hình, Imidacloprid . Việc xác định đặc tính của mẫu được
thực hiện bằng cách sử dụng phân tích hấp phụ-giải hấp BET N 2 , FESEM, EDS, DRS, XRD và
XPS. Kết quả của những phân tích này cho thấy WO 3 được hình thành tốt và đồng đều Dàn ý chi tiết:
*photocatalytic degradation (phân hủy quang xúc tác): Quang xúc tác làm gia tăng tốc tốc độ của
quá trình oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ độc hại để tạo thành CO2, nước và các chất vô hại khác.
Mô tả phản ứng hóa học do hấp thụ tia cực tím (có bước sóng từ 100 đến 400 nm), hấp thụ ánh sáng
khả kiến (400 - 750 nm) hoặc bức xạ hồng ngoại (750 - 2500 nm)
* Quang xúc tác hoạt động như thế nào?
Quang xúc tác làm gia tăng tốc tốc độ của quá trình oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ độc hại để
tạo thành CO2, nước và các chất vô hại khác.
Khi bề mặt vật dụng được phủ lớp nano TiO2, bề mặt này gặp ánh sáng (có bước sóng dưới 400nm)
sẽ xảy ra hiện tượng quang xúc tác. Cụ thể, bề mặt tiết xúc với hơi nước sẽ làm hơi nước tách ra thành
2 thành phần: các gốc hydroxyl [OH] và anion superoxit [O2-1].
Gốc hydroxyl (OH) phân hủy, oxy hóa các hợp chất hữu cơ có hại phổ biến khác nhau (như
formaldehyd, loạt benzen, amoniac, TVOC, v.v.) và phá hủy màng tế bào của vi khuẩn cũng như làm
rắn protein của virus để tạo ra hiệu ứng khử trùng. Kết quả của sự phân hủy các chất ô nhiễm này là
sẽ tạo thành carbon dioxide vô hại (CO2) và nước (H2O).
*Cấu trúc khối xốp nguyên khối Wo3/SiO2 : Cấu trúc nguyên khối của Wo3 / SiO2, hay còn gọi là
tungsten trioxide/silicon dioxide, là một cấu trúc tinh thể trong đó nguyên tử tungsten (W), oxi (O), và
silic (Si) tạo thành mạng lưới tinh thể. Cấu trúc này có thể có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào
điều kiện và phương pháp tổng hợp.
Một trong những dạng cấu trúc phổ biến của Wo3 / SiO2 có thể là cấu trúc tinh thể mạch lưới, trong
đó các nguyên tử W và O kết hợp để tạo thành các mạch lưới với các nguyên tử SiO2 xen kẽ trong đó.
Sự xen kẽ này có thể tạo ra các vùng lỏng lẻo trong cấu trúc, tạo điều kiện cho sự di chuyển của các
ion hoặc phân tử qua các khe hở, có thể có ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
*Khả năng tái sử dụng cao của đá nguyên khối Wo3/SiO2 có thể dựa trên một số yếu tố sau: 1.
**Bền vững hóa học**: Cấu trúc nguyên khối của Wo3/SiO2 có thể có khả năng chống lại sự
phân hủy hóa học trong một loạt các điều kiện môi trường khác nhau. Điều này có thể giúp vật liệu
duy trì tính chất của nó qua các chu kỳ sử dụng và tái sử dụng. 2.
**Khả năng tái tái chế**: Wo3/SiO2 có thể có khả năng tái chế cao, có nghĩa là sau khi sử
dụng, nócó thể được thu gom và chế biến lại thành sản phẩm mới mà không mất đi tính chất chất lượng quan trọng. 3.
**Ứng dụng đa dạng**: Wo3/SiO2 có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến
vật liệu xây dựng, vì vậy có thể tái sử dụng trong một loạt các ứng dụng khác nhau sau khi được thu gom và chế biến lại. 4.
**Tiết kiệm tài nguyên**: Việc tái sử dụng Wo3/SiO2 giúp giảm lượng tài nguyên mới cần
được sử dụng để sản xuất vật liệu mới, giúp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và tiết kiệm chi phí sản xuất.
Tóm lại, khả năng tái sử dụng cao của đá nguyên khối Wo3/SiO2 đóng vai trò quan trọng trong việc
giảm thiểu lượng chất thải và tài nguyên tiêu hao, cũng như trong việc tạo ra môi trường sản xuất và
sử dụng bền vững hơn.
*Sử dụng Wo3/SiO2 làm xúc tác quang có nhiều ưu điểm, bao gồm: 1.
**Hiệu suất quang hóa cao**: Wo3/SiO2 có khả năng chuyển đổi ánh sáng một cách hiệu
quả, biếnnó thành năng lượng hóa học. Điều này có thể làm tăng hiệu suất của các quá trình quang
hóa, như phản ứng quang hóa trong quá trình tổng hợp hữu cơ hoặc quá trình xử lý nước. 2.
**Độ ổn định cao**: Cấu trúc nguyên khối của Wo3/SiO2 có thể có tính chất ổn định, giúp
duy trì hiệu suất xúc tác qua nhiều chu kỳ sử dụng mà không cần thay thế hoặc tái tạo quá nhiều. 3.
**Khả năng điều chỉnh**: Wo3/SiO2 có thể được điều chỉnh về cấu trúc và tính chất hóa học
thôngqua quá trình tổng hợp và xử lý sau tổng hợp. Điều này cho phép tinh chỉnh và tối ưu hóa hiệu
suất xúc tác cho các ứng dụng cụ thể. 4.
**Tính chất tái sử dụng**: Như đã đề cập ở trên, Wo3/SiO2 có thể có khả năng tái sử dụng
cao, giúp giảm thiểu lượng chất thải và tài nguyên tiêu tốn trong quá trình sản xuất và sử dụng. 5.
**Ứng dụng đa dạng**: Wo3/SiO2 có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp
hóa chất đến công nghệ môi trường và năng lượng tái tạo, làm tăng tính linh hoạt và tiện lợi cho việc sử dụng xúc tác này.
*Mặc dù Wo3/SiO2 có nhiều ưu điểm khi sử dụng làm xúc tác quang, nhưng cũng có một số nhược điểm: 1.
**Chi phí**: Quá trình tổng hợp và xử lý Wo3/SiO2 có thể tốn kém về mặt kinh tế, đặc biệt
là khi cần điều chỉnh và tối ưu hóa tính chất của xúc tác cho từng ứng dụng cụ thể. 2.
**Tính ổn định hóa học không đảm bảo**: Mặc dù Wo3/SiO2 có thể có tính chất ổn định,
nhưng trong một số điều kiện hoạt động cụ thể, có thể xảy ra sự biến đổi hoặc phân hủy, làm giảm
hiệu suất và tuổi thọ của xúc tác. 3.
**Các tác động môi trường**: Quá trình sản xuất và sử dụng Wo3/SiO2 có thể gây ra các tác
động tiêu cực đến môi trường, như sử dụng chất độc hại trong quá trình tổng hợp hoặc phát thải từ
quá trình sử dụng xúc tác. 4.
**Giới hạn về hiệu suất và chọn lọc**: Wo3/SiO2 có thể không thích hợp cho mọi loại phản
ứng quang hóa, và đôi khi có thể có hiệu suất không đủ cao hoặc không đạt được sự chọn lọc mong
muốn trong quá trình phản ứng. 5.
**Cạnh tranh với các vật liệu khác**: Trong một số trường hợp, Wo3/SiO2 có thể phải cạnh
tranh với các loại xúc tác khác có hiệu suất và tính chất tương đương hoặc tốt hơn, điều này có thể
làm giảm sự phổ biến và ứng dụng của nó.
*Để khắc phục nhược điểm của việc sử dụng Wo3/SiO2 làm xúc tác quang, có thể thực hiện các biện pháp sau: 1.
**Nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất**: Nghiên cứu và phát triển các phương pháp
tổng hợp và xử lý Wo3/SiO2 mới có thể giúp giảm chi phí sản xuất, cải thiện tính ổn định hóa học và
giảm tác động môi trường. 2.
**Tối ưu hóa điều kiện hoạt động**: Điều chỉnh và tối ưu hóa điều kiện hoạt động của xúc
tác trong quá trình phản ứng có thể cải thiện hiệu suất và ổn định của nó. 3.
**Sử dụng vật liệu tái chế**: Tính chất tái sử dụng của Wo3/SiO2 có thể được tăng cường
bằng cách sử dụng vật liệu tái chế trong quá trình sản xuất, giúp giảm chi phí và tác động môi trường. 4.
**Phát triển các dạng xúc tác mới**: Nghiên cứu và phát triển các dạng xúc tác mới dựa trên
Wo3/SiO2 hoặc các hỗn hợp vật liệu khác có thể giúp khắc phục các hạn chế và tăng cường hiệu suất. 5.
**Tối ưu hóa quá trình tái chế**: Nâng cao hiệu suất quá trình tái chế và tái sử dụng của
Wo3/SiO2 có thể giúp giảm tải cho môi trường và tài nguyên. 6.
**Hợp tác nghiên cứu và ứng dụng**: Hợp tác giữa các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và
cơ quan quản lý có thể tạo điều kiện cho việc chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và tài nguyên, từ đó tăng
cường khả năng giải quyết các thách thức và tối ưu hóa ứng dụng của Wo3/SiO2.