Anwendung chemisch abgeblätterter Bornitrid-Nanoblätter, die mit Co dotiert sind, um organische Schadstoffe schnell aus Textilwasser zu entfernen

Einführung

Kürzlich wurde Bornitrid (BN), ein vielversprechendes zweidimensionales Schichtmaterial ähnlich dem Graphen, Wolframdisulfid (WS₂ ) und Molybdändisulfid (MoS₂ ) hat viel Aufmerksamkeit erregt. Bornitrid existiert typischerweise in seiner stabilsten kristallographischen Form, d. h. als hexagonales Bornitrid (h-BN). Darüber hinaus wird es als kubisches Bornitrid (c-BN), das strukturell dem Diamanten analog ist, als rhomboedrisches Bornitrid (r-BN) und als amorphe Phase gefunden [1]. Der Zwischenschichtabstand zwischen h-BN-Schichten beträgt 3,30 bis 3,34 Zoll, während Graphit einen Abstand von 3,33 bis 3,35 Zoll aufweist. Außerdem ist h-BN ein guter Isolator mit einer Bandlücke von ~ 5.9 eV [2, 3]. Die Kristallstruktur von h-BN ähnelt der von Graphen, weshalb es manchmal als „weißes Graphen“ und als „Zwillingsmaterial“ von Graphen bezeichnet wird. Interessanterweise sind Bor- und Stickstoffatome kovalent gebunden und in einem wabenartigen Muster angeordnet [2, 4]. Darüber hinaus bietet h-BN hervorragende physikalische, chemische, thermische, elektrische, optische und dielektrische Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen attraktiv machen [5,6,7]. Es wurden Studien durchgeführt, um die Eigenschaften der BN-Dämmung durch Bandgap-Tuning und strukturelle Eigenschaften zu verändern [3, 8]. Bornitrid-Nanoblätter (BN-NS) wurden erstmals im Jahr 2004 durch Ablösen von Bulkmaterial hergestellt, da es in der Natur nicht verfügbar war. Bis heute wurden verschiedene Methoden zur Herstellung von Nanoblättern angewendet, darunter chemisches Peeling [9], Kugelmahlen [10], Elektronenstrahlbestrahlung [11] und chemische Dampftechnik [12]. In der Literatur werden auch verschiedene andere Exfoliationswege beschrieben [13,14,15].

Potenzielle Anwendungen von BN-NS umfassen die Verwendung in optoelektronischen Geräten und Wärmemanagementgeräten. Es eignet sich besonders für den Einsatz als Photokatalysator und Katalysator in der Abwasserreinigung [3, 16, 17]. Wasser spielt eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Entwicklung aller lebenden Arten auf der Erde, einschließlich der Menschheit. Eine ausreichende Versorgung mit Wasser von guter Qualität zu allen Jahreszeiten hat große Auswirkungen auf die Umwelt und das Wirtschaftswachstum einer Region [18, 19]. Darüber hinaus ist die Lebensmittelindustrie weltweit stark von einer konstanten Versorgung mit sauberem Wasser abhängig [20]. Die Verfügbarkeit von reinem und frischem Wasser wird durch viele Faktoren beeinflusst, darunter das hohe Bevölkerungswachstum. Schätzungsweise 2,7 Milliarden Menschen in zahlreichen Ländern leiden unter einer Knappheit an sauberem Wasser [18, 21].

Laut Literatur wird eine große Anzahl von Farbstoffen, darunter Kongorot, Martiusgelb, Methylorange, Methylrot und Methylblau, in einer Vielzahl von Industriebereichen wie Leder, Bau, Papier, Metallherstellung und Druck verwendet [22,23 ,24]. Schädliche Metallionen (Pb, Cr, Hg, Cu usw.), die bei der Verwendung dieser Farbstoffe entstehen, haben schädliche Auswirkungen auf Mensch und Wasser. Die Exposition gegenüber unbehandelten Farbstoffen und giftigen Metallionen kann zu schweren Erkrankungen wie Anämie, Krebs, Enzephalopathie und Schwächung des Immunsystems führen [20, 25]. Darüber hinaus können überflüssige natürliche organische Stoffe die Toxizität erhöhen und sich nachteilig auf die Wasserreinigungssysteme auswirken [26].

Salz und andere geringfügige Verunreinigungen können mit Hilfe allgemein verfügbarer Techniken aus Wasser entfernt werden; Die Entfernung von schädlichen Farbstoffen und giftigen Metallionen ist jedoch schwieriger. Um Wasser von diesen Verunreinigungen zu reinigen, wurden verschiedene Wege genutzt, darunter Photokatalyse [16], magnetische Unterstützung [27], Ölentfernung [28] und Filtration und Koagulation [29]. Unter diesen Techniken nimmt die Katalyse einen wichtigen Platz ein, da sie als umweltfreundlich, kostengünstig und energieeffizient gilt. Darüber hinaus eignen sich die große Oberfläche und die hervorragenden chemischen und physikalischen Eigenschaften von BN-NS für den Einsatz als Katalysator in der Abwasserbehandlung [17].

In der vorliegenden Studie werden auch die magnetischen Eigenschaften synthetisierter Proben aufgrund ihrer möglichen Auswirkungen auf den Abwasserbehandlungsprozess untersucht. Herkömmlicherweise sind Übergangsmetalle, die Elektronen in 3d- oder 4f-Schalen enthalten, für den Ursprung des Magnetismus verantwortlich. Die Literatur weist darauf hin, dass spontane Magnetisierung auch in metallfreien leichten Elementen beobachtet wird, die Elektronen in s . enthalten und p orbital [30, 31]. Darüber hinaus wird der Ursprung des Ferromagnetismus in verdünnten magnetischen Halbleitern oder Oxiden (DMS(O)s) heftig diskutiert [32, 33]. Theoretische Analysen legen nahe, dass periodische Defekte in Graphen-basierten (2D) Nanomaterialien, insbesondere h-BN, eine magnetische Ordnung induzieren (Ferromagnetismus, Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus) [34]. Darüber hinaus wirken sich diese Defekte in h-BN günstig aus, um sein diamagnetisches Verhalten gegenüber Ferromagnetismus zu ändern [35]. Übergangsmetalle (z. B. Ni, Fe, Cu, Zn und Co) zeigen zufriedenstellende magnetische Eigenschaften; daher verspricht die Dotierung dieser Spezies in BN-Nanoblättern vielversprechende Ergebnisse. Dementsprechend führt die Dotierung von Übergangsmetall (Co) in h-BN zu extrinsischen Defekten, die zusammen mit intrinsischen Defekten dazu dienen, seine magnetischen Eigenschaften zu verbessern [36].

In der vorliegenden Studie wurde eine einfache hydrothermale Technik verwendet, um Co-dotierte BN-Nanoblätter mit verbesserter katalytischer Aktivität und magnetischem Verhalten herzustellen. Die Wirkung der Dotierung wurde durch Bewertung der strukturellen, morphologischen, optischen und magnetischen Eigenschaften von BN-NS untersucht.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, verschiedene Konzentrationen von Co in h-BN-Nanoblätter über den hydrothermalen Weg zu synthetisieren, um organische Schadstoffe aus Textilwasser und magnetischem Verhalten zu entfernen.

Materialien

Bulk-BN-Pulver (98%), Dimethylformamid (DMF), Methylenblau (MB) und Natriumborhydrid (NaBH₄) ) wurden von Sigma-Aldrich Co. (Deutschland) bezogen. Kobalt(II)-nitrat-hexahydrat (CoH₁₂ .) N₂ O₁₂ ) (98 %) wurde von VWR Chemicals (UK) erworben. Alle für diese Studie erworbenen Chemikalien wurden ohne zusätzliche Reinigung verwendet.

Exfoliation und Synthese von codotiertem BN

Die chemische Exfoliation-Route wurde verwendet, um BN-NS zu synthetisieren. Zuerst wurden 5 g Bulk-BN-Pulver in 200 ml DMF gelöst und 20 min gerührt, um die Stammlösung zu erhalten. Es folgte eine 12-stündige intensive Beschallung. Nach der Beschallung wurden aufgeschwemmte BN-Blätter aus der Stammlösung gesammelt. Die Dotierung erfolgte über einen hydrothermalen Ansatz. Bei diesem Verfahren wurde Kobalt(II)nitrat-Hexahydrat als Co-Dotierungsmittel verwendet. Die gesammelten BN-Nanoblätter wurden mit verschiedenen Gewichtsverhältnissen von Kobalt(II)nitrat-Hexahydrat (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) dotiert. Danach wurden ausgewähltes BN-NS und Kobalt(II)-nitrat-Hexahydrat mit verschiedenen Verhältnissen (1:0,25, 1:0,05, 1:0,075, 1:0,1) in 100 ml entionisiertem Wasser unter kontinuierlichem Rühren für 15 min dispergiert. Die Suspension wurde in einen Edelstahlautoklaven gegossen, in einen Vakuumofen bei 200°C für 10 Stunden gestellt, wie in 1 schematisch dargestellt. Schließlich wurde der Autoklav aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Vorstufe wurde auf einer Heizplatte bei 100–120 °C getrocknet.

Schematische Darstellung der Exfoliation und Synthese von Co-dotiertem BN-NS

katalytische Aktivität

Die katalytische Aktivität von reinem und Co-dotiertem BN-NS wurde gemessen, um den Grad des Farbstoffabbaus zu bestimmen. Dies wurde durchgeführt, indem der Abbau von MB in einer wässrigen Lösung von NaBH₄ . überwacht wurde das als Reduktionsmittel dient. Sowohl MB als auch NaBH₄ wurden frisch hergestellt, um die Integrität der experimentellen Daten zu gewährleisten. Üblicherweise ist MB der am häufigsten verwendete Redoxindikator in der analytischen Chemie, um die katalytische Aktivität während eines Farbstoffabbautests zu regulieren. Darüber hinaus bleibt MB in oxidierter Form blau, während es in reduzierter Form neutral erscheint [37]. Es wurden zwei katalytische Experimente durchgeführt, das erste mit 500 μL NaBH₄ und 2 mg Katalysator und der zweite mit 1000 μL NaBH₄ und 4 &mgr; mg Katalysator. Im Allgemeinen ist die Konzentration eines in einem Experiment verwendeten Katalysators der wichtigste Faktor, der die chemische Reaktion beeinflusst. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie (E _a ) einer Reaktion, wodurch deren Stabilität und Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden. MB ist in erster Linie ein giftiger Farbstoff, der für die Umwelt gefährlich ist. Es kann durch NaBH₄ . reduziert werden das wandelt es in eine ungiftige und farblose Spezies um. Allerdings ist der Reduktionsprozess in Gegenwart von NaBH₄ . relativ langsam . Undotiertes und codotiertes BN-NS weisen eine große Oberfläche auf, die in Kombination mit einer Erhöhung der Reaktionsreaktivität dazu dient, die Reduktionseffizienz des Farbstoffs zu beschleunigen. Der Einbau eines Katalysators in MB in Gegenwart eines Reduktionsmittels verursacht eine Adsorption. Außerdem kann eine über Katalysatoren dispergierte Reduktionsmittelschicht auch die Adsorption aufgrund der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Katalysator und MB beschleunigen. Die Reduktionsreaktion durch einen Katalysator erfolgt durch Übertragung von e ⁻ aus Spenderinhalt BH₄ ⁻ (z. B. aus NaBH₄ ) zum Akzeptorinhalt MB, erleichtert durch reines und dotiertes BN-NS. Dies führt zu einer Abnahme von E _a die zur Stabilisierung der Reaktion dient. Die katalytische Aktivität wurde durch Einnahme von 500 oder 1000 μL NaBH₄ . bewertet verdünnt in 10 ml MB-Lösung in einer Quarzküvette. Danach wurde Katalysator (2 oder 4 µg) zugegeben, um den Abbau von MB zu untersuchen. Der Farbstoffabbau wurde spektrophotometrisch bewertet, wie in 2 schematisch dargestellt. Darüber hinaus wurden Absorptionsspektren im Bereich von 200 bis 800 nm, die mit MB erhalten wurden, als Referenz bei Raumtemperatur verwendet. Der Abbau des Farbstoffs in Gegenwart von reinem und dotiertem Katalysator bestätigte eine verbesserte katalytische Aktivität, während NaBH₄ MB konnte nicht abgebaut werden.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Bewertung der katalytischen Aktivität

Materialcharakterisierungen

Vorbereitete Proben wurden mit einer Vielzahl von Techniken analysiert. Die Phasenkonstitution und der Kristallinitätsgrad wurden mit dem PAN-analytischen Röntgendiffraktometer X-pert PRO (XRD) mit Cu-Kα-Strahlung (λ =1,5418 Å) und 2θ im Bereich von 5° bis 80°. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde unter Verwendung eines Perkin-Elmer-Spektrometers durchgeführt, um das Vorhandensein funktioneller Gruppen zu bestätigen. Emissionsspektren wurden von einem Photolumineszenz-(PL)-Spektroskop unter Verwendung eines JASCO FP-8200-Spektrofluorometers erhalten. Raman-Spektren wurden mit einem DXR-Raman-Mikroskop (Thermo Scientific) mit einem Diodenlaser bei 532 nm erhalten. Die morphologische Untersuchung wurde unter Verwendung des Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops JSM-6460LV (FE-SEM) und des hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskops Philips CM30 und JEOL JEM 2100F (HR-TEM) durchgeführt. Optische Eigenschaften wurden mit einem UV-sichtbaren-Genesys 10S-Spektrophotometer aufgezeichnet. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) wurde verwendet, um die elementare Zusammensetzung zu verfolgen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit einem Vibrationsproben-Magnetometer (VSM) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

XRD wurde verwendet, um die Phasen- und Kristallstruktur der präparierten Proben zu analysieren, wie in Abb. 3a dargestellt. Beugungspeaks wurden bei 26,8°, 41,6°, 43,52° und 50,2° beobachtet, die als (002), (100), (101) bzw. (102) Ebenen indiziert wurden. Beobachtete Reflexe bestätigen das Vorliegen einer hexagonalen Phase von BN und stimmen gut mit JCPDS 00-034-0421 [38, 39] überein. Es ist erwähnenswert, dass die charakteristische Peakintensität von reiner zu dotierter Probe zunimmt, was darauf hindeutet, dass die Kristallinität durch den Einbau von Co erhöht wurde. Darüber hinaus zeigen XRD-Muster eine Peakverschiebung zu einem höheren Beugungswinkel an, die auf das Vorhandensein von Dotierungsmitteln . zurückgeführt wird in den Exemplaren [40]. Zwischenlagenabstand d ₀₀₂ berechnet mit Hilfe des Bragg-Gesetzes (nλ = 2dsinθ) betrug ~ 0,34 nm, was mit HR-TEM-Ergebnissen übereinstimmt [41].

a XRD-Muster von reinem und verschiedenen Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) von codotiertem BN-NS. b FTIR-Spektren

FTIR wurde durchgeführt, um IR-Fingerabdrücke in Kontroll- und dotierten Nanoblättern zu identifizieren, wie in 3d dargestellt. Spektren wurden bei ~ 808, 1020, 1160, 1370, 1672 und 3187 cm ⁻¹ . beobachtet . Zwei Kernpeaks wurden bei 808 und 1370 cm ⁻¹ . identifiziert von denen man annimmt, dass sie mit B–N–B (Biegeschwingungen) und B–N (Streckschwingungen) in Verbindung stehen. Letzterer Peak ist mit der Biegeschwingung A_2u . verbunden Modus (außerhalb der Ebene), während der frühere Peak gut mit der Streckschwingung E_1u . übereinstimmt Modus (in-plane) [42, 43]. Darüber hinaus Peaks bei 1020, 1160 und 1672 cm ⁻¹ stimmten mit der C-O-, B-N-O- bzw. C=O-Bindung überein [44]. Ein weiterer Peak mit der Mitte bei 3187 cm ⁻¹ entspricht der B-OH-Bindung [45, 46].

Die Identifizierung struktureller Fingerabdrücke erfolgte durch Raman-Spektren, wie in Abb. 4a dargestellt. Spektren zeigen eine charakteristische Raman-Bande, die bei 1370 cm ⁻¹ . zentriert ist was E_2g . zugeschrieben wird aktiver Phononenmodus von h-BN und korreliert mit dem G-Peak von Graphen [47]. Exfoliierte BN-NS zeigen kleinere Peaks bei 550 und 880 cm ⁻¹ was auf einen fluoreszierenden Hintergrund zurückgeführt wird [48]. Darüber hinaus wird in der Literatur berichtet, dass hochwertiges monokristallines h-BN E_2g . aufweist aktiver Phononenmodus bei 1367 cm ⁻¹ [40]. In dieser Studie rotverschobenes E_2g Der aktive Phononenmodus tritt als Ergebnis einer schwachen Wechselwirkung zwischen den BN-Zwischenschichten auf. Darüber hinaus zeigen rotverschobene Raman-Spektren das Vorhandensein einiger weniger geschichteter Nanoblätter, was zu einer leichten Dehnung innerhalb der Bor- und Stickstoffbindungen (B-N) führt [49, 50]. Folglich ist diese Verlängerung der B-N-Bindung auf die Erweichung von Phononen zurückzuführen und stimmt gut mit den zuvor zitierten Ergebnissen überein. Darüber hinaus könnten elementare Dotierung, Anordnung gestapelter Schichten, Domänengröße und Porosität zu einer Verbreiterung und Verschiebung der Peaks führen [51].

a Raman-Spektren von Kontrolle und dotiertem BN-NS. b PL-Spektren

PL-Spektroskopie wurde durchgeführt, um die exzitonische Wanderung und Rekombination von Elektron-Loch-Paaren zu verstehen, wie in Abb. 4b gezeigt. Spektren wurden mit einer Anregungs- und Emissionswellenlänge von λ . beobachtet _ex =220 nm und λ _em =310 nm. Die beobachtete charakteristische Bande bei ~ 322–342 nm entspricht dem Elektron-Loch-Übergang aufgrund des Verunreinigungsniveaus [52, 53]. Es ist bemerkenswert, dass das exzitonische Band zunimmt, aber beim Dotieren keine Wellenlängenverschiebung zeigt. Charakteristische Peaks bei ~ 446 nm und ~ 471 nm weisen darauf hin, dass die PL-Intensität einen starken Anstieg von reinen zu dotierten Proben zeigt. Unterdessen weist 10 Gew.-% co-dotiertes BN-NS eine maximale PL-Intensität unter allen Proben auf, was eine maximale Elektron-Loch-Rekombination anzeigt. Die Intensität nimmt aufgrund der Dotierungskonzentration allmählich ab, was auf eine Trennung photogenerierter Ladungen hindeutet [54]. Emissionsspektren zeigten ein anregungsabhängiges PL-Verhalten, das mit den zuvor berichteten Ergebnissen übereinstimmt [55].

UV-Vis-Spektroskopie wurde verwendet, um die Absorptionsspektren und die Bandlücke von Produkten wie hergestellt zu untersuchen, wie in Fig. 5a gezeigt. Der charakteristische Absorptionspeak des Wirts-BN-NS lag bei einer Schwelle von ~205 nm im tiefen Ultraviolettbereich (DUV), bezogen auf die Bandlücke von ~5,7 nm eV, wie in Fig. 5b dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass Bulk-BN eine Bandlücke von 5.2–5.4 eV induziert, während eine Monoschicht eine Bandlücke von ~ 6.07 eV aufweist, was gut mit theoretischen Berechnungen übereinstimmt (z. B. 6.0 eV). Bei Bi-/Multilayern liegt der Bandgap-Wert im Bereich von 5,56 bis 5,92 eV [43]. In Übereinstimmung mit einer breiten Bandlücke in Abb. 5b und dem DUV-Lumineszenzverhalten in Abb. 5a können die h-BN-Nanoblätter als neuer Kandidat für eine Vielzahl von Anwendungen in der Photonenemission, UV-Laserstrahlung und DUV-Detektoren angesehen werden [56] . Darüber hinaus wurde die Absorptionskante mit zunehmenden Dotierungskonzentrationen (2,5 bis 10 Gew.-%) zu längeren Wellenlängen verschoben, was eine Rotverschiebung zeigt (Abb. 5b) [57].

a UV-Vis-Spektren von blankem und co-dotiertem BN-NS. b Tauc-Plot für Bandlücke

Morphologie und Zusammensetzung von Kontrolle und dotiertem BN-NS wurden mit FE-SEM analysiert, wie in Fig. 6a gezeigt. Die mikroskopischen Aufnahmen zeigen, dass die erhaltenen Partikel eine aggregierte Nanoblattstruktur mit einer glatten Oberfläche und gekrümmten Kanten aufwiesen. Abbildung 6 b–d zeigen mit Kobalt bedeckte BN-Nanoblätter. Bei allen Proben wurde eine Agglomeration beobachtet. FE-REM-Aufnahmen zeigen, dass Nanoblätter mit einer kompakten Schichtstruktur gefaltet sind und eine ungleichmäßige Form und seitliche Abmessung aufweisen. Konfiguration und Abmessungen von Nanoblättern sind eine Folge der Exfoliation von Bulk-BN-Pulver. Die Morphologie des erhaltenen Produkts wurde mit HR-TEM-Analyse weiter bestätigt. Aus den HR-TEM-Mikrographien, die in Abb. 6a–d gezeigt sind, wurde eine blattartige Morphologie der Produkte wie hergestellt beobachtet. Darüber hinaus wurden kompakte raue Oberflächen von Nanoblättern mit leicht porösen Merkmalen beobachtet, die zu einer erhöhten katalytischen Aktivität führen. Es wurden dunkle kugelförmige Flecken beobachtet, die den erfolgreichen Einbau von Dotierung anzeigen. Eine winzige Stapelung und gekräuselte Kanten der Nanoblätter wurden aufgezeichnet, wie durch REM-Analyse in Abb. 6a–d gezeigt. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass FE-SEM- und HR-TEM-Analysen auf eine erfolgreiche Exfoliation von BN-Nanoblättern von Bulk-BN hindeuten.

a , a’ FE-SEM- und HR-TEM-Bilder von reinem BN-NS. b –d FE-SEM von (2,5, 7,5 und 10 Gew.-%) dotiertem BN-NS. b’ –d’ HR-TEM von (2,5, 7,5 und 10 wt%) dotiertem BN-NS (Einschub 50 nm)

Zwischenschichtabstandsmessungen von blanken und dotierten Proben wurden mit IFFT (siehe Einschub) durchgeführt, induziert mittels FFT-Bildern von HR-TEM, die mit der Gatan-Software für digitale Mikrographie untersucht wurden, um Gitterstreifen zu unterscheiden. Beobachtet d -Abstandswert für reines und 2,5 wt% dotiertes BN-NS beträgt 0,34 nm und 0,21 nm, was d . entspricht ₀₀₂ und d ₁₀₀ Ebenen, wie in Fig. 7a, c dargestellt. Diese Ergebnisse stimmen gut mit der XRD-Analyse und den Standarddaten überein [58]. Darüber hinaus sind in Abb. 7b, d SAED-Profile demonstriert, die Beugungsringe des hellen Flecks bedeuten. Diese Beugungsringe wurden indiziert, da sie von (002), (100), (101) und (102) Ebenen stammen, die gut mit den XRD-Ergebnissen übereinstimmen. Die SAED-Muster legen nahe, dass alle Ringe zu hexagonalem BN gehören und bestätigen die hochkristalline Natur von Nanoblättern [58].

a , c d – Abstandsanalyse von Wirt und 2,5 Gew.-% dotiertem BN-NS. b , d SAED-Kontrollmuster und 2,5  Gew.-% dotiertes BN-NS

Die elementare Oberflächenzusammensetzung von dotiertem BN-NS wurde durch EDS-Analyse untersucht, wie in Abb. 8a–d gezeigt. Erhaltene mikroskopische Aufnahmen zeigen starke Peaks von Bor (B) und Stickstoff (N), während ein geringes Signal für Kobalt (Co) auch im EDS-Spektrum beobachtet wurde ( 8a ). In Co-dotierten Proben wurden zwei mäßige Co-Peaks bei 0,5 und 7 keV beobachtet, die den erfolgreichen Einbau des Dotierungsmittels bestätigen. Darüber hinaus stammt das Kohlenstoffsignal unter 1 keV von Kohlenstofftabs, die zum Halten der Probe während der Analyse verwendet werden, und/oder ist auf hohe Hintergrundzählungen im SEM-EDS-Detektor zurückzuführen. Ansonsten war in der Probe kein Kohlenstoff vorhanden [59].

a –d EDS-Analyse verschiedener Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) von codotiertem BN-NS

Die magnetischen Eigenschaften von Co-dotiertem BN-NS wurden mit einer M-H-Kurve unter Verwendung von VSM-Messungen bewertet. Im Diagramm in Abb. 9 zeigt das sigmoidale Erscheinungsbild der M-H-Schleifen, dass Co-dotiertes BN-NS durch ein magnetisches Moment gekennzeichnet ist. Eine Literaturstudie zeigt, dass reines BN diamagnetisches Verhalten mit Anfälligkeit zeigt (χ ≈ − 8,6 × 10 ⁻⁷ emu/g) [31, 35]. Im Gegensatz dazu weist Co-dotiertes BN-NS einen Raumtemperatur-Ferromagnetismus (RT-FM) auf, der aus einer Austauschwechselwirkung zwischen Co ⁺² . resultiert Ionen und ungepaarte Dipole, die dazu neigen, sich entlang des angelegten Magnetfelds auszurichten. Es ist ersichtlich, dass die Hystereseschleife präziser erscheint sowie die Dotierungskonzentration zunimmt, was die Reinheit und die erfolgreiche Einarbeitung des Dotierungsmittels bestätigt. Die Koerzitivfeldstärke, Remanenz und Sättigungsmagnetisierung von Co-dotiertem BN-NS sagen die Weichheit und Härte des magnetischen Materials voraus. Die Co-Dotierung in BN-NS führt zur Bildung eines weichmagnetischen Materials. Die Werte der Remanenz (M _r ), Sättigungsmagnetisierung (M _s ) und Koerzitivfeldstärke (H _C ) für verschiedene Dotierungskonzentrationen (2,5, 5 und 7,5 Gew.-%) wurden anhand der MH-Kurve berechnet, wie in Tabelle 1 gezeigt.

M-H-Kurve verschiedener Konzentrationen (2,5, 5 und 7,5 Gew.-%) von codotiertem BN-NS

Die katalytische Aktivität von reinem und Co-dotiertem BN-NS, das als Katalysator wirkt, wurde durch den Abbau von MB ausgedrückt und durch Absorptionsspektren untersucht, die mit einem UV-Vis-Spektrophotometer überwacht wurden. Abbildung 10 a–h zeigen die Ergebnisse der katalytischen Aktivität mit 500 μL NaBH₄ und 2 &mgr;mg Katalysator. Aus Abb. 10a ist ersichtlich, dass NaBH₄ kann MB nicht erfolgreich abbauen, da es nach 40 min nur 8% des Farbstoffs abbaut. Einbau von reinem BN-NS in MB in Gegenwart von NaBH₄ führte zu 45% Abbau in 30 min (Fig. 10b). Darüber hinaus war die Abbaufähigkeit von Co-dotiertem BN-NS (siehe Abb. 10b–e) signifikant höher. Verschiedene Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) des dotierten Katalysators zeigen 58, 77, 90 bzw. 97% Abbau in 13, 8, 3 bzw. 2 min. Interessanterweise liefern 10 Gew.-% dotierte Nanoblätter eine überlegene katalytische Aktivität und bauen 97% Farbstoff in nur 2 min ab, was höher ist als (7.5, 5 und 2.5 Gew.-%) dotierte Konzentrationen und charakteristische Peakintensitäten werden bei ~290 und 665 nm beobachtet. Diese Zunahme des Farbstoffabbaus ist möglicherweise auf die Verbesserung der verfügbaren Adsorption sowie der katalytischen Zentren auf Katalysatoren zurückzuführen. Bei diesem Mechanismus interagiert der 3d-Zustand von Co gut mit dem 2p-Zustand der entsprechenden verfügbaren B- oder N-Stellen in BN-NS. Diese starke Wechselwirkung zwischen 3d-Co- und 2p-B- oder N-Zuständen bewirkt eine Erhöhung der katalytischen Aktivität und führt zu einem schnellen Abbau des Farbstoffs, was unsere Ergebnisse positiv unterstützt [60].

a Zeitabhängige UV-vis-Spektren von NaBH₄ . b makelloses BN-NS. c –f Verschiedene Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) von Co-dotiertem BN-NS. g Plots von C _t /C _o gegen die Zeit. h Vergleich des Abbauprozentsatzes über verschiedene Konzentrationen von BN-NS

Das katalytische Experiment wurde mit 1000 μL NaBH₄ . wiederholt und 4 &mgr; mg Katalysator. Durch Erhöhung der Konzentration des Katalysators verläuft die Reaktion im Vergleich zum zuvor erwähnten Versuch schneller. Diese Beobachtung stimmt gut mit der Literatur überein. Im vorliegenden Experiment ist NaBH₄ konnte MB immer noch nicht abbauen, während reines BN-NS und verschiedene Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) des dotierten Katalysators 51, 65, 82, 95 und 99% in 27, 10, 6, 2 und abgebaut haben 1 min jeweils, wie mit einem Spektrophotometer ausgewertet. Experimentelle Ergebnisse zur Messung der katalytischen Aktivität sind in Abb. 11a, b dargestellt.

a Plots von C _t /C _o gegen die Zeit mit NaBH₄ =1000 μL und Katalysatoren =4 mg. b Vergleich des Abbauprozentsatzes über verschiedene Konzentrationen. c Plots von C _t /C _o gegen die Zeit für die Wiederverwendbarkeit von 10 Gew.-% co-dotiertem BN-NS. d Plots von C _t /C _o gegen die Zeit für die Wiederverwendbarkeit von 10  Gew.-% codotiertem BN-NS

Nach dem Lambert-Beer-Gesetz ist das Verhältnis der Konzentration von MB zu einem bestimmten Zeitpunkt (C _t ) und Anfangskonzentration von MB (C _o ), bezeichnet als C _t /C _o , kann durch das Verhältnis der parallelen Extinktion (A _t /A _o ). Die Abbildungen 10 f und 11 a zeigen den zeitlichen Verlauf von C _t /C _o für alle Katalysatoren verwendet, während Abb. 10 g und 11 b den prozentualen Abbau aller Katalysatoren angeben. Der prozentuale Abbau wurde nach Gl. 1.

Darüber hinaus ist der pH-Wert eine wichtige Betriebsvariable bei der Farbstoffabbaubehandlung. Außerdem spielt der pH-Wert eine wichtige Rolle bei der Textilabwasserbehandlung und bei den Reaktionsmechanismen, die zum Farbstoffabbau beitragen. Es ist erwähnenswert, dass der Prozentsatz des Abbaus in erheblichem Maße vom pH-Wert abhängt. Im vorliegenden Versuch wurde der pH-Wert auf 8,5 eingestellt. Bedeutsamerweise zeigte der Farbstoffabbau aufgrund katalytischer Aktivität die besten Ergebnisse in einer alkalischen Umgebung, was unsere experimentellen Ergebnisse günstig unterstützt. Mehrere Berichte zeigen, dass der höchste Farbstoffabbau durch katalytische Aktivität in einer alkalischen Umgebung beobachtet wurde [61].

Stabilität und Wiederverwendbarkeit (Recyclingfähigkeit) von Katalysatoren ist ein wichtiges Merkmal, um einen für den Farbstoffabbau verwendeten Katalysator zu bewerten. In der vorliegenden Studie wurde die Stabilität der Katalysatoren bewertet, indem das durchgeführte Experiment 48 Stunden lang stehen gelassen wurde. Nach 48 h waren die Ergebnisse die gleichen wie zu Beginn, d. h. der Abbau war immer noch im vorherigen Zustand. Die Wiederverwendbarkeit des Katalysators wurde durch Recycling von 10 Gew.-% Co-dotiertem Katalysator untersucht, der in der vorliegenden Studie für drei Zyklen als überlegener Katalysator diente. Die extrahierten Spektren der rezyklierten katalytischen Aktivität wurden wie in Abb. 11c, d gezeigt ausgewertet.

Außerdem wurde die Beladung des Katalysators vor und nach dreimaligem Recyclingprozess untersucht. In der ersten und zweiten Aktivität wurde ein geringer Gewichtsverlust des Katalysators im Bereich von 2 µg und 4 µg (vorher) bis 1,7 µg und 3,6 µg (nach drei Zyklen) unter Berücksichtigung von ~~5% Erfassungsabweichung im vorliegenden Experiment festgestellt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Co-dotiertes BN-NS eine hervorragende Stabilität aufweist und gleichzeitig als Katalysator dient. Schließlich legt diese Studie nahe, dass codotiertes BN-NS ein effizientes und hervorragendes katalytisches Verhalten gegenüber dem Farbstoffabbau in der industriellen Abwasserbehandlung aufweist.

Schlussfolgerung

In this study, boron nitride nanosheets (BN-NS) were synthesized through chemical exfoliation of bulk BN powder. Various concentrations (2.5, 5, 7.5, and 10 wt%) of Co were successfully incorporated via the hydrothermal approach. As prepared, pure and doped BN-NS were characterized by a variety of techniques to evaluate the effect of doping. XRD patterns confirm the presence of the hexagonal phase of BN with improved crystallinity from pure to doped samples. Furthermore, the peak shift indicates the successful incorporation of doping. FTIR spectra indicate sp ² bonded B–N stretching vibrations consistent with E_1g mode (in-plane) as well as B–N–B bending vibration associated with A_2u mode (out plane). Raman spectroscopy affirmed E_2g active phonon mode of h-BN while photoluminescence spectroscopy revealed emission spectra that were attributed to exciton migration and recombination. Host and Co-doped BN-NS displayed absorbance in the DUV region along with a redshift that causes a decrease in bandgap energy suggesting it to be a suitable material for degradation of dye from industrial wastewater and organic pollutants. Sheet-like morphology of obtained product was studied by means of FE-SEM and HR-TEM. Slightly porous features result in high catalytic activity due to available adsorption sites. EDS analysis showed the purity of the sample and confirmed the incorporation of dopant in nanosheets. The magnetic behavior of Co-doped BN-NS was investigated through VSM measurements that display strong ferromagnetic behavior while pristine BN-NS show diamagnetic behavior. Significantly, the sigmoidal appearance of the hysteresis loop becomes more precise from lower to a higher concentration of Co-doped BN-NS, which point toward the formation of a soft magnetic material. Lastly, pure and Co-doped BN-NS was utilized as a catalyst in dye degradation. The catalytic activity provides efficient results for most samples but 10 wt% Co-doped catalyst showed significant outcome with the highest dye degradation (99%) in 1 min, making it a novel catalyst in this study. Extracted results from pure and doped BN-NS can be used as a guideline to modify and enhance magnetic properties in order to improve reliability in modern optoelectronic technology. Finally, the synthesized material has the potential to be used as a stable, reusable, and superior nano-catalyst to replace conventional wastewater treatment methods.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

BN-NS:

Boron nitride nanosheets

Co:

Cobalt

UV-Vis:

Ultraviolett-Spektroskopie im sichtbaren Bereich

XRD:

Röntgenbeugung

DUV:

Deep ultraviolet region

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

PL:

Photolumineszenz

DMF:

Dimethylformamid

MB:

Methylenblau

NaBH₄ :

Sodium borohydride

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FE-REM:

Field emission scanning electron microscopy

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

JCPDS:

Joint committee on powder diffraction standards,

VSM:

Vibrating sample magnetometer measurements