Bewertung der Oberflächen- und elektrischen Eigenschaften der TiO2@Zeolith-Hybridmaterialien

Mar 28, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3650 (2023) Diesen Artikel zitieren

Der Abbau von Schadstoffen in wässrigen Medien ist aufgrund der Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit von großem Interesse. Daher sind die Entwicklung und Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Photokatalysatoren für die Wassersanierung von großer Bedeutung. Unter den Eigenschaften des Photokatalysators sind diejenigen, die mit der Oberfläche und dem elektrischen Mechanismus zusammenhängen, entscheidend für die Leistung des Photokatalysators. Hier berichten wir über die chemischen und morphologischen Eigenschaften des TiO2@Zeolith-Photokatalysators durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) bzw. Rasterelektronenmikroskopie (SEM), und ein kohärenter elektrischer Leitungsmechanismus wurde basierend auf Daten aus der unterstützten Laserimpedanzspektroskopie (ALIS) vorgeschlagen ), bei dem der Zeolith aus recycelter Kohleflugasche synthetisiert wurde. Die durch SEM und XPS erhaltenen Ergebnisse bestätigten das Vorhandensein kugelförmiger TiO2-Anatas-Partikel im Ti3+-Zustand. Die Ergebnisse von ALIS zeigten, dass die Impedanz des gesamten Systems zunimmt, wenn die Menge an TiO2 zunimmt, und dass die Proben mit geringerer kapazitiver Leistung einen größeren Ladungstransfer zwischen der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche ermöglichten. Alle Ergebnisse zeigten, dass eine höhere photokatalytische Leistung des TiO2-Wachstums gegenüber Hydroxysodalit mit 8,7 Gew.-% und 25 Gew.-% TiO2 hauptsächlich durch die Morphologie von TiO2 und die Wechselwirkungen zwischen Substrat und TiO2 erklärt werden kann.

Unter den Farbstoffen werden die Azoverbindungen häufig in der Lebensmittel- und Textilindustrie verwendet. Ein erheblicher Teil der Abwässer dieser Industrien gelangt in die Umwelt und stellt eine Gefahr für Menschen und Wasserlebewesen dar1,2. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität der Farbstoffe ermöglichen die fortschrittlichen Oxidationsprozesse mittels heterogener Photokatalyse die Reinigung dieser Abwasserklasse3. Unter den Photokatalysatoren ist TiO2 aufgrund seiner Eigenschaften wie hoher Oxidationseffizienz, chemischer und biologischer Inertheit, hoher Photostabilität, einfacher Herstellung und Verwendung im Vergleich zu anderen, relativ niedrigen Kosten usw. einer der am häufigsten verwendeten Photokatalysatoren für den Photoabbau von Schadstoffen umweltfreundlich4,5; Daher wurde TiO2 als grundlegendes Material zur Verbesserung photokatalytischer Prozesse verwendet und wird immer noch untersucht6,7,8,9,10,11,12,13. Um die Leistung von TiO2 zu verbessern, wird dieses auf einem geeigneten Substrat gezüchtet und verteilt, wodurch ein Hybridmaterial entsteht, das die Eigenschaften von TiO2 und Substrat nutzt. Eines der zur Immobilisierung von TiO2 verwendeten Substrate ist der Zeolith, ein hydratisiertes Aluminosilikat, das aus tetraedrischen TO4-Einheiten (T = Si, Al) besteht, die über ein Sauerstoffatom verbunden sind. Sie erzeugen eine dreidimensionale Struktur mit inneren Hohlräumen und Poren von molekularer Größe, die durch Kanäle miteinander verbunden sind. Aufgrund der unterschiedlichen Oxidationsstufe der Al (+3)- und Si (+4)-Ionen entsteht eine negative Ladung, die durch die austauschbaren Kationen (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) und durch adsorbierte Wassermoleküle neutralisiert wird werden in den Kanälen oder Käfigen der Struktur platziert14,15. Die Zeolithe sind natürlichen oder synthetischen Ursprungs und werden in zahlreichen Anwendungen wie der Landwirtschaft16, dem Gesundheitswesen17, der Kohlenwasserstoffgewinnung18 und der Schadstoffbehandlung19 eingesetzt. Synthetische Zeolithe können unter anderem aus Abfallmaterialien wie Glas- und Aluminiumabfällen20, Kohleflugasche (CFA)21, Lithiumabfällen22 und Reisschalen23 hauptsächlich durch hydrothermale Verfahren synthetisiert werden. Die Fähigkeit des Photokatalysators, Schadstoffe durch TiO2@Zeolithmaterialien abzubauen, beruht auf der Eigenschaft des Elektron-Loch-Paares, das durch die Adsorption von Licht durch TiO2 gefördert wird und in einem wässrigen Medium freie Radikale erzeugt, die organische Verbindungen als Azofarbstoffe oxidieren können4. 5. Die Effizienz der Photokatalyse von TiO2 hängt von der Anzahl der erzeugten freien Radikale ab, die hauptsächlich von der Adsorptionsfähigkeit und der Rekombination des Elektron-Lochs beeinflusst wird. Durch die Dispersion von TiO2 in einem Zeolith sollen etwaige Probleme des TiO2 gelöst werden – etwa die Verringerung der Rekombinationsrate von Elektron und Löchern –, die Adsorption erhöht und die Rückgewinnung aus einer flüssigen Lösung erleichtert werden24. Der Literaturübersicht zufolge wurde über die Herstellung von Hybridmaterialien aus TiO2@Zeolith hauptsächlich mit kommerziellem Zeolith berichtet25,26,27,28; Die Literatur zur Verwendung von aus Kohleflugasche synthetisiertem Zeolith zur Herstellung von TiO2@Zeolith ist jedoch rar24,29, weshalb es immer noch an Kenntnissen über den Mechanismus für Photokatalyseanwendungen in diesen Materialien mangelt.

In einer früheren Arbeit30 berichteten wir über die Synthese von kostengünstigem TiO2@Zeolith unter Verwendung von CFA, das durch ein hydrothermales Verfahren behandelt wurde. Durch Variation der experimentellen Parameter konnten zwei Proben mit Hydroxysodalit und Cancrinit-Zeolith als Hauptphase erhalten werden. Diese Proben wurden als HYD bzw. CAN gekennzeichnet. Durch die Imprägnierungsmethode wurden unterschiedliche Nennmengen an TiO2 (Gew.-%) in Form von Titanisopropoxid abgeschieden und getrennt auf der Oberfläche des HYD und des CAN verteilt. Mithilfe von Röntgenbeugung, Raman-Messungen und hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie wurde bestätigt, dass es sich bei der Strukturphase des TiO2 um Anatas handelt. Der Ti3+-Zustand aufgrund von Sauerstofffehlstellen in der TiO2-Struktur wurde durch Elektronenspinresonanzmessungen bestätigt. Der photokatalytische Abbau eines Azofarbstoffs wurde mit Methylorange unter UV-Strahlung getestet; Proben mit einer geringeren Menge an TiO2 (8,7 Gew.-% und 25 Gew.-%), die auf HYD abgeschieden wurden, zeigten eine höhere Abbauleistung.

In dieser Arbeit berichten wir über die Untersuchung der Oberflächen- und elektrischen Eigenschaften zuvor synthetisierter TiO2@Zeolith-Hybridmaterialien; Diese Materialien, die mit unterschiedlichen TiO2-Konzentrationen erhalten wurden, wurden mithilfe von SEM-, XPS- und Photoimpedanzmessungen charakterisiert. Ziel der Studie war es, die strukturellen, morphologischen und elektrischen Eigenschaften zu korrelieren, um einen kohärenten Mechanismus für die Ladungsübertragung vorzuschlagen, der den photokatalytischen Abbau von Methylorange erklärt, über den zuvor bei dieser Art von Materialien berichtet wurde.

Die Synthese von TiO2@zeolith wird in Lit. 30 kurz beschrieben. CFA wurde im Kraftwerk Sochagota TermoPaipa IV (Boyacá, Kolumbien) gesammelt und durch ein 400-Sieb (38 μm) mit einer chemischen Hauptzusammensetzung aus Si- und Al-Oxiden und einem Si/Al-Verhältnis von 2,4 geleitet. Die CFA wurde durch die herkömmliche hydrothermale Methode aktiviert. Hydroxysodalit (HYD)-Zeolith als Hauptphase wurde durch Mischen von 4,2 g CFA mit einer NaOH-Lösung in destilliertem Wasser mit einem NaOH/CFA-Verhältnis von 3,0 bei 99,5 °C für 24 Stunden und einer Nachwärmebehandlung bei 500 °C erhalten. Cancrinit (CAN)-Zeolith als Hauptphase wurde unter Verwendung von 10 g CFA, gemischt mit einer destillierten Wasserlösung von NaOH mit einem NaOH/CFA-Verhältnis von 1,7, bei 95 °C für 24 Stunden und einer Nachwärmebehandlung bei 500 °C synthetisiert.

Die Synthese der Hybridmaterialien wurde wie folgt durchgeführt: TiO2 wurde über zwei alkalisch aktivierte CFA mit der Bezeichnung HYD und CAN imprägniert. Unterschiedliche Nominalmengen von TiO2 (Gew.-%) in Form von Titanisopropoxid wurden einer Lösung von Ethanol mit HYD und CAN getrennt sechs Stunden lang unter magnetischem Rühren bei 60 °C tropfenweise zugesetzt. Die Lösungen wurden über Nacht bei 90 °C in einem Muffelofen getrocknet. Die Hybridmaterialien wurden entsprechend dem Schema von Tabelle 1 gekennzeichnet.

Die chemische Oberflächenanalyse wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) unter Verwendung eines X(NAP-XPS)-Spektrometers mit einem PHOIBOS 150 1D-DLD-Analysator und einer Anregungsquelle von Al-Kα (1486,7 eV, 13 kV, 100) durchgeführt W) mit einer Schrittweite von 20 eV und 0,1 eV. Alle Spektren wurden mit einem C1s-Elektronenpeak bei 284,6 eV kalibriert. Die morphologischen Oberflächenmerkmale wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) unter Verwendung eines LYRA3 TESCAN-Geräts im Rückstreu- und Sekundärmodus beobachtet, und die chemische Zusammensetzung wurde durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) ermittelt.

Die elektrischen Eigenschaften wurden mithilfe von ALIS-Messungen (Assisted Laser Impedance Spectroscopy) im Dunkeln und unter Beleuchtung untersucht, wobei ein unpolarisierter TEM 00-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von λ = 390 nm und einer Leistung von 35 mW/cm2 verwendet wurde. Die Daten wurden mithilfe einer selbstgebauten Breakout-Box mit Bajonett-Neill-Concelman-Anschluss (BNC) und einem Keysight E4980AL-Präzisions-LCR-Messgerät erfasst. Die Messungen wurden mit einem Wechselstromsignal von 100 mV Amplitude in einem Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 1 MHz und ohne Gleichstromvorspannung durchgeführt. Die Daten wurden unter Verwendung zweier äquivalenter Stromkreise mit der EIS Spectrum Analyzer 1.0-Software31 angepasst. Die Probe wurde in eine zylindrische Zelle gegeben, die aus zwei isolierten Edelstahlelektroden bestand, die durch einen O-Ring aus Polytetrafluorethylen getrennt waren. 50 mg der Hybridmaterialien wurden in 200 ml MilliQ-Wasser verdünnt; Von dieser Lösung wurde ein Volumen von 200 ml zur Messung verwendet.

XPS-Spektrenmessungen wurden durchgeführt, um die elektronischen und chemischen Oberflächenzustände der Proben zu analysieren. Abbildung 1a,b zeigt das vollständige XPS-Spektrum der Proben HYD-T-8.7 bzw. CAN-T-8.7. Die Spektren zeigen Signale von Al, Si, Na und Ti. Darüber hinaus weist CAN-T-8.7 ein von Fe herrührendes Signal auf. Al, Si und Na entstehen aus den Zeolithen und anderen Alumosilikaten, die aus alkalisch behandeltem CFA entstehen; Das Ti entsteht hauptsächlich aus dem imprägnierten TiO2 und das Fe entsteht aus dem CFA. Alle Hybridmaterialien, CAN-Ts und HYD-Ts, weisen ähnliche Spektren auf.

Breite XPS-Spektren der Proben (a) HYD-T-8.7 und (b) CAN-T-8.7.

Es wurden hochauflösende XPS-Spektren durchgeführt, um die Peaks zu analysieren, die Ti2p (Abb. 2) und O1s (Abb. 3) entsprechen. Diese Spektren wurden mit einer Gauß-Peak-Funktion angepasst.

Entfaltete Spektren des Ti2p für (a) synthetisiertes TiO2 (b–f) HYD-T und (g–k) CAN-T-Hybridmaterialien.

Entfaltete Spektren der O1s für (a) synthetisiertes TiO2 (b–f) HYD-T- und (g–k) CAN-T-Hybridmaterialien.

Für synthetisiertes TiO2 ergeben sich aus der Spin-Bahn-Aufspaltung zwei Peaks bei 458,5 eV und 464,4 eV. Die entfalteten Spektren für synthetisiertes TiO2 enthalten Hauptpeaks bei 458,5 eV, 459,7 eV und 464,3 eV, die Ti4+2p3/212, Ti3+2p1/213 bzw. Ti4+2p1/232,33 zugeordnet werden können, Abb. 2a. Die dem Ti4+-Zustand entsprechenden Peaks werden dem Ti4+ des TiO2-Gitters zugeschrieben; Der dem Ti3+-Zustand entsprechende Peak wird auf Sauerstofffehlstellen in der Oberfläche zurückgeführt.

In allen Proben, HYD-T (Abb. 2b–f) und CAN-T (Abb. 2g–k), erscheinen die Peaks bei etwa 458,5 eV und 464,3 eV, was beide dem Ti4+-Zustand entspricht. Der Peak bei etwa 459,7 eV des Ti3+-Zustands tritt nicht auf; jedoch tritt ein drittes Signal bei etwa 456 eV auf, was dem Ti3+2p3/2-Zustand32 entspricht. Für CAN-T-33.25 wurde der Probenbeitrag des Ti3+-Zustands nicht beobachtet (Abb. 3i).

Für synthetisiertes TiO2 enthalten die hochauflösenden XPS-Spektren von O1s Hauptpeaks bei 529,7 eV und 530,5 eV, die Ti-O-Ti34 bzw. einer Sauerstofffehlstelle (VO)33 zugeschrieben werden können (Abb. 3a).

Die O1s-XPS-Spektren sowohl für HYD-T (Abb. 3b–f) als auch für CAN-T (Abb. 3g–k) Hybridmaterialien zeigen zusätzliche Peaks; diese wurden mit Peaks bei 529,7 eV, 530,5 eV, 531 eV, 531,5 eV entfaltet. 532,4 eV und 534,8 eV, die auf Ti–O–Ti34, Sauerstoffleerstellen33, Ti–O12, Al–O–Al/Si–O–Al35, SiO235 bzw. adsorbiertes O2/H2O34 zurückzuführen sind.

Der relative Beitrag des entfalteten Signals zu den Gesamtspektren von Abb. 2 und Abb. 3 für jede der Proben ist in Abb. 4 dargestellt. Die Balken bei 100 Gew.-% TiO2 entsprechen dem Beitrag des synthetisierten TiO2. Der hohe Anteil an Titan in den Hybridmaterialien bezieht sich auf einen hohen Anteil an TiO2 auf der Substratoberfläche. Bei den HYD-T-Proben nimmt der Ti3+-Beitrag ab, wenn die TiO2-Beladung auf 33,25 Gew.-% TiO2 ansteigt, und dann nimmt der Ti3+-Beitrag zu, wenn die TiO2-Beladung zunimmt. Bei den CAN-T-Proben erhöht sich der Ti3+-Beitrag, wenn die TiO2-Beladung auf 25 Gew.-% TiO2 ansteigt, dann ist der Ti3+-Beitrag für 33,25 Gew.-% TiO2 Null, als nächstes entsteht der Ti3+-Beitrag für 41,3 Gew.-% TiO2, dieser Beitrag ist kleiner als der Beitrag für 25 Gew.-% TiO2 und schließlich nimmt der Ti3+-Beitrag für 49,45 Gew.-% TiO2 ab. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Beitrag des Ti3+-Zustands in der TiO2-Phase auf der Oberfläche von HYD-T-Proben in Abhängigkeit von der Menge an geladenem TiO2 im Gegensatz zu CAN-T-Proben verhält.

Relativer Beitrag zum (a) O1s- und (b) Ti2p-Peak für HYD-T; (c) O1s- und (d) Ti2p-Peak für CAN-T-Hybridmaterialien.

Abbildung 5. zeigt die REM-Bilder von HYD-T-Materialien. Es lässt sich darstellen, dass die Morphologie der Materialien hauptsächlich aus Partikeln mit zwei unterschiedlichen Formen besteht. In HYD-T-8.7, HYD-T-25 und HYD-T-33.25 sind die Partikel auffällig kugelförmig. Die Morphologie von TiO2 ändert sich bei höheren TiO2-Mengen, wobei die Partikel in den Proben HYD-T41.3 und HYD-T49.45 abgestumpfte Flächen aufweisen, beides Formen mit glatten Oberflächen. Diese Partikel entsprechen TiO2. Es wurde festgestellt, dass in TiO2-Partikeln eine Aggregation stattfindet (dies ist in HYD-T-25 erkennbar) und die Partikelgröße dadurch größer als 2,5 mm wird. Partikel mit Stäbchen- und Flockenform entsprechen Alumosilikaten, und der Aggregationsgrad ist geringer als bei TiO2-Partikeln. Die Aggregation von TiO2-Partikeln weist darauf hin, dass die Bindungsrate des TiO2 innerhalb der Partikel größer ist als die Bindungsrate des TiO2-Substrats. Die Elementzusammensetzung wurde durch eine EDS-Sonde ermittelt. Abbildung 5f–k zeigt die EDS-Karte für HYD-T-41.3.

REM-Bilder der Hybridmaterialien HYD-T für (a) 8,7, (b) 25, (c) 33,25, (d) 41,3 und (e) 49,45 Gew.-% TiO2 und (f–k) EDS-Karte der Probe HYD-T-41.3 im Zusammenhang mit Abb. 2d.

Abbildung 6 zeigt die REM-Bilder von CAN-T-Materialien. Es ist ersichtlich, dass die Morphologie der Materialien ein ähnliches Verhalten wie die HYD-T-Proben aufweist. Die Kugelform ist bei TiO2-Partikeln für CAN-T-25, CAN-T-33.25, CAN-T-41.3 und CAN-T-49.45 vorherrschend; Bei geringeren Mengen an TiO2 ändert sich die Morphologie in CAN-T-8.7 zu abgeschnittenen Flächen. Die Oberfläche der TiO2-Partikel weist eine glatte Oberfläche auf. Die Aggregation findet in TiO2-Partikeln statt und ist im Vergleich zur Aggregation von TiO2-Partikeln in HYD-T-Proben größer. Partikel mit Stab- und Flockenform entsprechen Alumosilikaten. Die TiO2-Substrat-Anhaftung in dieser Probe ist größer im Vergleich zu der in HYD-T-Proben dargestellten. Abbildung 6e–j zeigt die EDS-Karte für HYD-T-25. Die Ergebnisse zeigen, dass die elementare Zusammensetzung auf die Alumosilikate und TiO2 des Substrats zurückzuführen ist, hauptsächlich auf das Vorhandensein anderer Elemente wie Eisen, die aus behandeltem CFA stammen.

REM-Bilder der Hybridmaterialien HYD-T für (a) 8,7, (b) 25, (c) 33,25, (d) 41,3 und (e) 49,45 Gew.-% TiO2 und (f) EDS-Karte der Probe CAN- T-25 im Zusammenhang mit Abb. 4b.

Um das elektrische Verhalten der Proben zu untersuchen, wurde die ALIS-Reaktion im Dunkeln und unter UV-Licht gemessen. Aus diesen Messungen wurden die Bode-Diagramme von HYD-T und CAN-T erhalten, die in den Abbildungen dargestellt sind. 7 bzw. 8. Die Daten zeigen einen Anstieg der Impedanz, wenn die Probe mit einem ohmschen Verhalten bei Frequenzen zwischen 103 und 105 Hz und einem kapazitiven Verhalten unter 103 Hz und über 105 Hz beleuchtet wird. Die Impedanz nimmt tendenziell zu, wenn die Menge an TiO2 zunimmt.

Bode-Diagramme der Proben HYD-T im Dunkeln (a) Impedanz, (b) Phase; unter Beleuchtung, (c) Impedanz und (d) Phase.

Bode-Diagramme der CAN-T-Proben im Dunkeln (a) Impedanz, (b) Phase; unter Beleuchtung, (c) Impedanz und (d) Phase.

Abbildung 9 zeigt die Nyquist-Diagramme bei Dunkelheit und Beleuchtung für beide Materialreihen, HYD-T und CAN-T. Die Kurven weisen zwei Halbkreise auf. Die Krümmungsradien des Halbkreises sind bei niedriger Frequenz größer als bei hoher Frequenz, die mit zunehmender TiO2-Menge zunimmt. Die Krümmungsradien in jeder Probe nehmen bei Bestrahlung zu.

Nyquist-Diagramme der Proben HYD-T und CAN-T in Dunkelheit und unter Beleuchtung.

Nyquist-Diagramme von HYD-T- und CAN-T-Materialien bei Dunkelheit und Lichtverhältnissen wurden an einen äquivalenten Stromkreis mit Widerständen, Kondensatoren und einem Konstantphasenelement (CPE) angepasst, siehe Abb. 10a,b. Die äquivalenten Impedanzen sind durch die Gleichungen gegeben. (1) und (2) für HYD-T- bzw. CAN-T-Materialien:

wobei ZC = 1/jωC, ZCPE = 1/P(j(ω − ω'))α. Das CPE-Element wird anhand eines gebrochenen Parameters α und eines Parameters P = ηC erklärt, wobei η eine Kalibrierungsfunktion ist, wobei R, C, P und α einstellbare Parameter sind. Α nimmt einen Wert von + 1 bzw. − 1 für eine kapazitive bzw. induktive Blindimpedanz an und bestimmt die Bedeutung von P36.

Ersatzschaltung für (a) HYD-T- und (b) CAN-T-Hybridmaterialien; schematische Prozesse in den (c) HYD-T- und (d) CAN-T-Hybridmaterialien.

Die einstellbaren Parameter sind in den Tabellen 2 und 3 für HYD-T- bzw. CAN-T-Proben aufgeführt. Angepasste Parameter zwischen hellen und dunklen Bedingungen weisen in Prozent ausgedrückte Unterschiede auf, die in Tabelle 2 aufgeführt sind. Der Unterschied wurde gemäß der Gleichung36 berechnet:

Es ist wichtig, den elektrischen Leitungsmechanismus für TiO2@Zeolith-Materialien aufzuklären; Allerdings könnte es schwierig sein, den genauen Entstehungsmechanismus zu lösen. Diese Studie untersuchte dieses Problem unter Berücksichtigung der folgenden Fakten: (a) Die Verzerrung der Halbkreise wird auf den Beitrag von Körnern und Korngrenzen zurückgeführt. (b) Größere Krümmungsradien in den Nyquist-Diagrammen deuten auf einen geringeren Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode hin37,38,39,40,41. Der Radius der Halbkreise nimmt zu, wenn die TiO2-Menge sowohl in HYD-T- als auch in CAN-T-Proben zunimmt, was darauf hindeutet, dass der Widerstand des gesamten Systems zunimmt; Dadurch erhöht sich der Ladungsübertragungswiderstand über die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche hinweg. Diese Widerstände nehmen zu, wenn die TiO2-Menge zunimmt, und der Widerstand nimmt in jeder Probe zu, wenn die Materialien beleuchtet werden. (c) Der Anstieg des Systemwiderstands bei steigender TiO2-Menge weist darauf hin, dass die Agglomeration von TiO2-Partikeln (wie in den REM-Ergebnissen dargestellt) den Widerstand zwischen der TiO2-Substrat-Grenzfläche erhöht. Darüber hinaus erhöht die zunehmende Agglomeration der TiO2-Partikel den Widerstand im TiO2. (d) Der Anstieg des Widerstands des Systems bei Beleuchtung weist darauf hin, dass die erzeugten Photoelektronen in TiO2 die Ladungskonzentration in der Oberfläche erhöhen; es erhöht den Kapazitätsbeitrag zur Impedanz des Systems. Darüber hinaus werden die durch Oxidationsprozesse in der Lösung entstandenen Radikale vom Substrat adsorbiert oder die auf dem TiO2 erzeugten Photoelektronen rekombinieren im TiO2@Zeolith-Feststoff.

Nach den bisherigen Fakten lässt sich folgender kohärenter Mechanismus vermuten:

Für beide Probenserien, HYD-T und CAN-T, ist der Wert von ΔR2 größtenteils positiv (mit Ausnahme von HYD-T-41.3) und nimmt tendenziell zu, wenn die TiO2-Menge im Material zunimmt, was bedeutet, dass der Widerstand unter Beleuchtung zunimmt nimmt im Vergleich zum Widerstand in der Dunkelheit ab. Dieser Widerstand wird auf den Widerstand des TiO2 zurückgeführt, da die Elektronendichte im Leitungsband durch die Förderung von Elektronen aus dem Valenzband durch Lichtabsorption zunimmt. Der Wert von ΔR2 ist im HYD-T größer als in den CAN-T-Proben, was darauf hindeutet, dass es auf der Oberfläche von TiO2 im HYD-T eine größere Elektronendichte gibt als in den CAN-T-Proben. Vor diesem Hintergrund muss die mit der Oberfläche des TiO2 verbundene Kapazität zunehmen, wenn das Material beleuchtet wird; daher muss der Wert von ΔC negativ sein. In den CAN-T-Proben verhält sich ΔC2 wie erwartet; In HYD-T-Proben sind die Werte von ΔC1 und ΔC2 jedoch positiv. Diese Ergebnisse deuten auf einen größeren Elektronentransfer vom Hybridmaterial zur Lösung in den HYD-T-Proben als in den CAN-T-Proben hin. Darüber hinaus besteht die Ersatzschaltung in den HYD-T-Beispielen aus zwei Kondensatoren anstelle der drei Kondensatoren in den CAN-T-Beispielen. Somit fördert das TiO2-Substrat in HYD-T den Ladungstransfer und verhindert die Ladungsansammlung in der Grenzfläche TiO2/Substrat und anschließend in der Grenzfläche Hybridmaterial/Lösung (siehe Abb. 10c). Umgekehrt kommt es in CAN-T-Proben zu einer Ladungsansammlung in der Grenzfläche TiO2/Substrat, die den Ladungstransfer vom Hybridmaterial zum Elektrolyten verhindert und eine größere Elektron-Loch-Rekombination im TiO2 zeigt, insbesondere in Proben mit einem TiO2-Gewichtsprozentsatz größer als 25 %, wobei die Agglomeration von TiO2-Partikeln (REM-Abb. 5 und 6) die Elektron-Loch-Rekombination fördert. Somit ist C2 die Kapazität in der TiO2/Substrat-Schnittstelle in CAN-T-Proben. C1 ist die Kapazität in der Elektrode/Lösung und R3 ist der Widerstand in der Lösung; ΔC1 und ΔR3 weisen positive Werte auf, was darauf hindeutet, dass die Ladungsansammlung in dieser Grenzfläche abnimmt und die Ladungsträger in der Lösung aufgrund der Ladungsübertragung von TiO2 und Elektrolyt zum Substrat abnehmen, um die aktiven Stellen in den Zeolithphasen zu neutralisieren. Somit ist R1 mit dem Widerstand des Substrats verbunden und C3 ist die Kapazität in der TiO2/Substrat-Grenzfläche in CAN-T-Hybridmaterialien (siehe Abb. 10d). Die Abnahme der C2-Werte unter Beleuchtung (d. h. die Abnahme der Ladungsansammlung zwischen Probe/Elektrolyt und aufgrund der Ladungsübertragung fördert Oxidations- und Reduktionsreaktionen in der TiO2-Oberfläche, um freie Radikale und ˙OH, die größere Menge an freien Radikalen, zu erzeugen Radikale) wird von HYD-T-8.7 und HYD-T-25 erzeugt. Diese Proben zeigten den größten Farbstoffabbau aller Proben30.

Diese Arbeit untersuchte die Oberflächen- und elektrischen Eigenschaften der zuvor synthetisierten TiO2@Zeolith-Materialien, die zum Abbau von Methylorange verwendet wurden, wobei der Zeolith aus CFA gewonnen wurde. XPS-Ergebnisse bestätigten, dass TiO2 Anatas mit dem Vorhandensein des Ti3+-Zustands entspricht. Die anhand von REM-Bildern untersuchten morphologischen Eigenschaften zeigen, dass die TiO2-Partikel zu kugelförmigen Partikeln agglomerieren. Das durch ALIS-Messungen untersuchte elektrische Verhalten lässt den Schluss zu, dass der Widerstand des gesamten Systems zunimmt, wenn die Menge an TiO2 zunimmt. Den XPS-, SEM- und ALIS-Ergebnissen zufolge hängt das elektrische Verhalten hauptsächlich von den Wechselwirkungen zwischen Substrat-TiO2 und Substrat/TiO2-Flüssigkeit ab und nicht vom Vorhandensein von Ti3+ in der Oberfläche. Die beste TiO2-Substrat-Befestigung in den CAN-T-Proben erhöht das kapazitive Verhalten zwischen dem Substrat und der TiO2-Schnittstelle; Allerdings ist der Widerstand des Gesamtsystems kleiner als bei HYD-T-Proben. Umgekehrt verringert der geringe Grad der TiO2-Substrat-Anbindung in den HYD-T-Proben das kapazitive Verhalten zwischen dem Substrat und der TiO2-Grenzfläche, was einen höheren Ladungstransfer zwischen der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche ermöglicht. Aus den Ergebnissen wurde ein kohärenter elektrischer Mechanismus zur Erklärung der Unterschiede im Methylorange-Abbau durch HYD-T- und CAN-T-Proben vorgeschlagen. Schließlich ist das elektrische Verhalten der aus CFA und TiO2 hergestellten Hybridmaterialien ein komplexer Mechanismus, der zusätzliches erfordert Studien müssen vollständig aufgeklärt werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Gruppe für Materialphysik, Pädagogische und Technische Universität Kolumbiens (UPTC), Avenida Central del Norte 39-115, 150003, Tunja, Boyacá, Kolumbien

GI Supelano & CA Vine Vargas

Los Libertadores University Foundation, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Grundlagenwissenschaften, Cra.16 # 63a-68, Bogotá, Kolumbien

F. Mesa

GIFAM-Gruppe, Antonio Nariño-Universität, Carrera 7 # 21-84, 150001, Tunja, Boyacá, Kolumbien

JA Mejía Gómez

Gruppe nanostrukturierter Materialien und ihre Anwendungen, Nationale Universität von Kolumbien-Bogotá, Cra. 30, Nr. 45-03, Gebäude 404 Labor. 121C, 11001, Bogotá, Kolumbien

A. Dussan

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Konzeptualisierung, Schreiben, formale Analyse, Untersuchung von GIS; Konzeptualisierung, Schreiben, formale Analyse, Untersuchung, Ressourcen FM; Konzeptualisierung, Ressourcen, Betreuung CAPV, Konzeptualisierung, Ressourcen, Betreuung JAMG; Konzeptualisierung, Schreiben, formale Analyse AD Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit F. Mesa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Supelano, GI, Mesa, F., Vargas, CAP et al. Bewertung der Oberflächen- und elektrischen Eigenschaften der TiO2@Zeolith-Hybridmaterialien. Sci Rep 13, 3650 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30529-8

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Eingegangen: 21. November 2022

Angenommen: 24. Februar 2023

Veröffentlicht: 04. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30529-8

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