ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОКАТАЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ BIFE1-XMNXO3 В РАЗЛОЖЕНИИ МЕТИЛЕНОВОГО СИНЕГО

_ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ / PHYSICS AND MATHEMATICS_

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.97.7.001

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОКАТАЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ BiFe1-xMnxO3 В РАЗЛОЖЕНИИ МЕТИЛЕНОВОГО СИНЕГО

Научная статья

Лыу Тхи Ньян *

Ханойский индустриальный университет, Ханой, Вьетнам

* Корреспондирующий автор

Аннотация

Объектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFei-xMnxO3, синтезированые золь-гель методом. Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени. Исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Mn уменьшило ширину запрещенной зоны (от 2,11 эВ до 1,94 эВ). Это увеличит фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практическим. Полученые результаты показывают, что наночастицы BiFe1-xMnxO3 в этой работе дает способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Ключевые слова: феррит висмута, мультиферроик, спектр поглощения, фотокаталитическая активность, метиленоый синий.

RESEARCH OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF BiFe1-xMnxO3 NANOPARTICLES IN DECOMPOSITION OF METHYLENE BLUE

Research Article

Luu Thi Nhan*

Hanoi Industrial University, Hanoi, Vietnam

* Corresponding author

Abstract

The nanosized multiferroic powders BiFei-xMnxO3, synthesized by the sol-gel method, are the studied objects. The samples are calcined at appropriate temperatures and within a given period. A study of the absorption spectra in the UV-visible area of the fabricated samples showed that doping with Mn reduces the bandgap (from 2.11 eV to 1.94 eV). This will increase the photocatalytic activity of the BFO material system, which will make the application more practical. The results obtained show that BiFei-xMnxO3 nanoparticles in this work provide the possibility to decompose methylene blue. When doping Mn in BFO, the decomposition efficiency increases. However, this efficiency is not high.

Keywords: bismuth ferrite, multiferroic, absorption spectrum, photocatalytic activity, methylene blue.

Введение

В настоящее время фотокаталитические материалы с возможностью обработки окружающей среды представляют собой большой интерес исследователей. Ранее основным исследованным фотокаталитическим материалом был TiO2 с такими преимуществами, как недорогой, менее токсичный, высокая фотохимическая стойкость и т. д. Однако этот материал имеет недостатки - это фотокаталитическая активность TiO2 низка в области видимого света из-за большой ширины запрещенной зоны (~ 3,2 эВ) и ее трудно восстановить для повторного использования. Поэтому, исследование приготовления новых фотокаталитических материалов с энергией запрещенной зоны менее 3 эВ представляет собой большое внимание ученым. Одним из таких материалов является феррит висмута - BiFeO3 (BFO).

Феррит висмута BFO, является одним из наиболее известных сегнетомагнетиков - материалов, одновременно сочетающих магнитные и сегнетоэлектрические свойства [1], [2]. Эти материалы перспективны для новой области квантовой электроники - спиновой электроники, основанной на транспорте спин-поляризованных электронов, сенсорной техники, магнитной памяти [3], [6]. С другой стороны, наночастицы BFO также показывают хорошую фотокаталитическую активность в области видимого света из-за узкой ширины запрещенной зоны (2,1 -2,7эВ) [7]. Такие материалы могут использоваться в качестве новых фотокаталитических материалов, реагирующих на видимый свет, для разложения органических загрязнителей или для образования H2 из воды [8].

В последние годы исследовательское направление очень заинтересовано в легировании редкоземельных элементов или 3d-групп в нанообразцах BFO для улучшения электромагнитных свойств, улучшения фотокаталитической способности, легкого восстановления и повторного использования. Однако, оптические свойства сегнетомагнитных материалов на основе BiFeO3 слабо исследованы как экспериментально, так и теоретически. В представленной работе описывают результаты исследования фотокаталической активности наночастиц BiFe1-xMnxO3 в разложении метиленового синего (MB).

Образцы и методика измерений

Обектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFe1-xMnxO3, синтезированые золь-гель методом с использованием нитрата висмута Bi(NO3)3.5H2O (чистота > 99%), нитрата железа Fe(NO3)3.9H2O (чистота > 98,5%), моногидрат лимонной кислоты C6H8O7.H2O (чистота > 99, 5%), раствора нитрата марганца Mn(NO3)2 50% и NH3 (NH4OH). Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени.

В спектре излучения солнечного света энергия ультрафиолетового излучения составляет всего около 8%, а энергия излучения видимого света составляет 48% от общей энергии. Поэтому изучение использования энергии света видимой

области в фотокаталитическом процессе очень необходимо, поскольку возможно использовать источник солнечного света для процесса реакции. В этой работе по оценке фотокаталитической способности полученных образцов мы использовали источник света, подобный солнечному свету.

Раствор метиленового синего (МВ) и образцы подают в реакционную камеру, освещают видимым светом и перемешивают реакционную систему магнитной мешалкой во время испытания. После реакции определяли концентрацию МВ, и рассчитывается эффективность разложения метиленового синего образцов.

Чтобы определить концентрацию МВ в растворе после разложения, мы строим калибровочную кривую метиленового синего в диапазоне концентраций 0 мг/л - 10 мг/л.

Смесь после фотокаталитической обработки отфильтровывает раствор. Фотометрические измерения определяют спектры поглощения раствора МВ после использования катализатора. Из калибровочной кривой рассчитывают оставшуюся концентрацию МВ после фотокаталитического разложения.

Эффективность разложения МВ образцов рассчитывается следующим образом:

С - С

Н

где:

Н: Эффективность разложения МВ образцов (%) Со: Концентрация МВ до реакции (мг/л) С*: Концентрация МВ после реакции (мг/л) Экспериментальные результаты и обсуждений

Порошки BiFe1-xMnxOз с соотношением х = 0%, 5% и 7,5% успешно получили. Результаты исследования влияния концентрации Мп на фазоформирование, размеры и оптические свойства наночастиц BiFe1-xMnxO3 показаны в [9]. Так же в [9] мы определяли ширины запрещенной области полученных образцов. Результаты показанны на таблице 1.

Таблица 1 - Ширина запрещенной зоны наночастиц BiFel-xMnxOз

Образец Энергия

BiFeOз 2,11

BiFeo,95Mno,o5Oз. 1,97

BiFeo,925Mno,o75Oз 1,94

И так, исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Мп уменьшило ширину запрещенной зоны [9]. Это увеличивает фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практичным.

В этой работе мы выбрали только образцы BiFeO3, BiFeo,95Mno,o5O3 для исследовании фотокаталической активности полученных образцов в разложении метиленового синего, потому что, в [9] было показано, что микроскопическая структура исследуемого образца BiFeo,925Mno,o75Oз является неоднородной по форме и размеру.

Образцы BiFeOз, BiFeo,95Mno,o5Oз и раствор МВ с начальной концентрацией Со были добавлены в фотокаталитическую систему для проведения реакции. Полученные смеси освещались видимым источником света в течение 2 часов. Результаты исследования способности разлагать раствор МВ образцов с течением времени показаны на рисунке 1.

0.500

400 500 600 700 800

\Vavelength

Рис. 1 - Спектры поглощения нанопорошка Bi1-xMnxFeOз при освещении видимым светом в течение 2ч.

Видно, что эффективность разложения метиленового синего BiFeO3 и BiFe0,95Mn0,05Û3 при освещении видимым светом: не сильно отличается.

При увеличении времени освещения видимым светом до 24 часов и 48 часов эфективность разложения MB материала BiFeÛ3 и BiFe0.95Mn0.05O3 увеличивает. Полученые результаты показаны на рисунке 2, рисунке 3.

Рис. 2 - Спектры поглощения нанопорошка Вм-хМп^еОз при освещении видимым светом в течение 24ч.

Рис. 3 - Спектры поглощения нанопорошка В^-хМп^еОз при освещении видимым светом в течение 48ч.

На рис. 4. показана зависимость эффективности от времени разложения МВ образцов BiFeOз и BiFeo,95Mno,o5Oз при освещении видимым источником света.

Видно, что полученые образцы показывают способность разложения метиленового синего. При легировании Mn эффективность разложения метиленового синего увеличивается. Однако, эффективность в этой работе намного меншье чем результат исследования других исследователей [10], [11]. Чтобы повысить эффективность разложения, необходимо продолжить изучение большего количества факторов, влияющих на фотокаталитическую активность материала: морфология частиц, размер частиц, условия синтеза образца, рН, .... Мы продолжим изучение по этому вопросу в ближайшее время.

Заключение

Таким образом, полученые результаты показывают, что наночастицы BiFei-xMnxÜ3 в этой работе дает способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Конфликт интересов Conflict of Interest

Не указан. None declared.

Список литературы / References

1. Смоленский Г.А. Успехи физических наук / Г.А Смоленский, И.Е. Чупис. - 1982. - Т. 137. - № 3. - С. 415 - 448.

2. Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.К. Звездин, А.П. Пятаков. - 2012.

- Т. 182. - № 6. - С. 593-620.

3. Eerenstein W. Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. - 2006. -Vol. 442. - P.759 - 765.

4. Ramesh R. Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Mater / R. Ramesh, N.A. Spaldin.. - 2007. - Vol. 6. - P. 21.

5. Catalan G. Physics and Applications of Bismuth Ferrite // Adv. Mater / G. Catalan, J.F. Scott.. - 2009. - Vol. 21. - P. 2463.

6. Пятаков А.П. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.П. Пятаков, А.К. Звездин. - 2012.

- Т. 182. - С. 593.

7. Gao T. Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its applications in visible-light induced photocatalyses // Rev. Adv. Mater. Sci / T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin, Y.Huang. - 2015. - Vol. 40. -P. 97-109.

8. Deng J. Bismuth iron oxide nanoparticles as photocatalyst for solar hydrogen generation from water// J. Fundam. Renew. Energy Appl / J. Deng, S. Banerjee, S.K. Mohapatra, Y.R. Smith, M. Misra. - 2011. -Vol. 1. - P. 1.

9. Luu Thi Nhan Study of Mn concentration effect on phase- formation, dimensions and optical properties of BiFeMnO nanoparticles / Luu Thi Nhan et al // International Research Journal. 2019. - Vol. 16. - P. 128-131. - URL: https://research-journal.org/en/physicsandmath/issledovanie-vliyaniya-koncentracii-mn-na-fazoformirovanie-razmery-i-opticheskie-svojstva-nanochastic-bife1-xmnxo3/

10. Nguyen Thi Ha Chi. "Tong hap va nghien cuu tinh chat quang xuc tac cua vat lieu BiFeO3 kich throc nanomet" / Nguyen Thi Ha Chi // Luan van thac si khoa hoc, Khoa hoa hoc, BH. Khoa hoc Tu Nhien BHQGHN, Ha Noi, 2015.

11. Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. Visible Light Photocatalytic Activity of BiFeO3 Nanoparticles for Degradation of Methylene Blue / Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. // Journal of Physical Science, 2017, Vol. 28(2), P. 85-103.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Smolensky G.A. Uspekhi fizicheskikh nauk [Successes of physical sciences] / G.A. Smolensky, I.E. Chupis - 1982. -V. 137. - No. 3. - P. 415 - 448. [in Russian]

2. Zvezdin A.K. Magnitojelektricheskie materialy i mul'tiferroiki [Magnetoelectric materials and multiferroics] UFN [UFN]

/ A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin. - 2012. - V. 182. - No. 6. - P. 593-620. [in Russian]

3. Eerenstein W. Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. - 2006. - V. 442. - P.759 - 765.

4. Ramesh R. Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Mater / R. Ramesh, N.A. Spaldin.. - 2007. - V. 6. - P. 21.

5. Catalan G. Physics and Applications of Bismuth Ferrite // Adv. Mater / G. Catalan, J.F. Scott.. - 2009. - V. 21. - P. 2463.

6. Pyatakov A.P. Magnitojelektricheskie materialy i mul'tiferroiki [Magnetoelectric materials and multiferroics] UFN [UFN] / A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin. - 2012. - V. 182. - P. 593. [in Russian]

7. Gao T. Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its applications in visible-light induced photocatalyses // Rev. Adv. Mater. Sci / T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin, Y.Huang. - 2015. - V. 40. -P. 97-109.

8. Deng J. Bismuth iron oxide nanoparticles as photocatalyst for solar hydrogen generation from water// J. Fundam. Renew. Energy Appl / J. Deng, S. Banerjee, S.K. Mohapatra, Y.R. Smith, M. Misra. - 2011. -V. 1. - P. 1.

9. Luu Thi Nhan Study of Mn concentration effect on phase- formation, dimensions and optical properties of BiFeMnO nanoparticles / Luu Thi Nhan et al // International Research Journal. 2019. - T. 16. - P. 128-131. - URL: https://research-journal.org/en/physicsandmath/issledovanie-vliyaniya-koncentracii-mn-na-fazoformirovanie-razmery-i-opticheskie-svojstva-nanochastic-bife1-xmnxo3/

10. Nguyên Thi Hà Chi. Sintez i issledovanie fotokataliticheskih svojstv materialov BiFeO3 nanometr [Tong hap và nghiên cnu tinh chat quang xùc tac cùa vât lieu BiFeO3 kich thuâc nanomet] / Nguyên Thi Hà Chi // Luân vân thac sï khoa hoc, Khoa hoa hoc, BH. Khoa hoc Tu Nhiên BHQGHN, Hà Nôi, 2015. [in Chinese]

11. Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. Visible Light Photocatalytic Activity of BiFeO3 Nanoparticles for Degradation of Methylene Blue / Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. // Journal of Physical Science, 2017, Vol. 28(2), P. 85-103.