Co-dotierte Bornitrid-Nanosheets: Schnelle, umweltfreundliche Entfernung von Textilwasser-Schadstoffen

Zusammenfassung

Zweidimensionale Schichtmaterialien, dotiert mit Übergangsmetallen, zeigen verstärkte Magnetisierung und verbesserte katalytische Stabilität bei der Wasseraufbereitung – potenzielle Umweltanwendungen in verschiedenen Industriesektoren. In dieser Studie wurden Kobalt (Co)-dotierte Bornitrid-Nanosheets (BN-NS) für solche Anwendungen untersucht. Chemische Exfoliation wurde zur Herstellung von BN-NS verwendet, der hydrothermale Weg zur Einbindung von Co-Dotierstoff in verschiedenen Konzentrationen (2,5, 5, 7,5, 10 Gew.-%). Röntgendiffraktion (XRD) zeigte verbesserte Kristallinität mit Bildung einer hexagonalen Phase. Ausgewählte-Bereich-Elektronenbeugung (SAED) bestätigte erhöhte Kristallinität, was XRD-Ergebnisse stützt. Schichtabstand wurde per Hochauflösungs-Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) mit Gatan Digital Micrograph Software evaluiert. Elementzusammensetzung und Funktionsgruppen per energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR). Morphologie per Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) und HR-TEM. Bindungsmodi per Raman-Analyse. Optische Eigenschaften per UV-Vis-Spektroskopie. Photolumineszenz-Spektren zur Abschätzung Exzitonen-Trennung/Rekombination. Magnetische Eigenschaften per Hysterese-Schleife mittels VSM-Messungen. Methylenblaue-Farbstoff wurde mit hergestellten reinen und dotierten Nanosheets als Katalysatoren abgebaut, untersucht durch Absorptionsspektren 250–800 nm. Ergebnisse zeigen: Co-dotierte BN-NS weisen verbesserte magnetische Eigenschaften auf und können Farbstoffe als Abwässer in industriellen Abwässern abbauen.

Einleitung

Kürzlich hat Bornitrid (BN), ein vielversprechendes zweidimensionales Schichtmaterial ähnlich Graphen, Wolframdisulfid (WS₂) und Molybdändisulfid (MoS₂), erhebliche Aufmerksamkeit erregt. BN existiert typischerweise in stabilster kristallographischer Form: hexagonales Bornitrid (h-BN). Daneben kubisches BN (c-BN, strukturell analog zu Diamant), rhomboedrisches BN (r-BN) und amorphe Phase [1]. Schichtabstand h-BN: 3,30–3,34 Å; Graphit: 3,33–3,35 Å. h-BN ist guter Isolator mit Bandlücke ~5,9 eV [2, 3]. Kristallstruktur ähnelt Graphen – „weißes Graphen“, „Zwillingmaterial“ [2, 4]. Bor und Stickstoff kovalent gebunden in honigwabenartigem Muster [2, 4]. h-BN bietet exzellente physikalische, chemische, thermische, elektrische, optische, dielektrische Eigenschaften – attraktiv für diverse Anwendungen [5–7]. Studien zur Veränderung der Isoliereigenschaften durch Bandlücken-Tuning und Strukturmodifikation [3, 8]. BN-NS erstmals 2004 durch Exfoliation von Bulk-Material hergestellt (nicht natürlich verfügbar). Seither diverse Methoden: chemische Exfoliation [9], Kugelmahlen [10], Elektronenstrahlbestrahlung [11], chemische Gasphasenabscheidung [12]. Weitere Exfoliationswege in Literatur [13–15].

Potenzielle Anwendungen: Optoelektronik, Wärmemanagement. Besonders geeignet als Photokatalysator und Katalysator in Abwasserbehandlung [3, 16, 17]. Wasser lebenswichtig für alle Lebewesen. Ausreichende Versorgung mit guter Wasserqualität hat großen Einfluss auf Umwelt und Wirtschaftswachstum [18, 19]. Lebensmittelindustrie weltweit abhängig von konstanter Sauberwasser-Versorgung [20]. Reines Süßwasser beeinflusst durch viele Faktoren, u. a. hohes Bevölkerungswachstum. Geschätzt ~2,7 Mrd. Menschen in zahlreichen Ländern leiden unter Sauberwasser-Mangel [18, 21].

Literatur: Viele Farbstoffe (Kongorot, Martiusgelb, Methylorange, Methylrot, Methylblau) in Industriezweigen wie Leder, Bau, Papier, Metallverarbeitung, Druck [22–24]. Schädliche Metallionen (Pb, Cr, Hg, Cu etc.) durch Farbstoffnutzung verursachen schwere Schäden an Mensch und aquatischem Leben. Unbehandelte Farbstoffe und toxische Metallionen → Anämie, Krebs, Enzephalopathie, Immunschwäche [20, 25]. Übermäßige natürliche organische Stoffe erhöhen Toxizität und beeinträchtigen Wasseraufbereitung [26].

Salze und geringfügige Verunreinigungen durch weitverfügbare Techniken entfernbar; Entfernung schädlicher Farbstoffe und toxischer Metallionen jedoch anspruchsvoller. Verschiedene Reinigungswege: Photokatalyse [16], magnetische Unterstützung [27], Ölentfernung [28], Filtration und Koagulation [29]. Katalyse wichtig: umweltfreundlich, kosteneffizient, energieeffizient. Hohe Oberfläche und überlegene chemisch-physikalische Eigenschaften von BN-NS prädestinieren als Katalysator in Abwasserbehandlung [17].

In dieser Studie werden magnetische Eigenschaften synthetisierter Proben untersucht wegen potenziellem Einfluss auf Abwasserbehandlung. Konventionell: Übergangsmetalle mit Elektronen in 3d- oder 4f-Schalen verantwortlich für Magnetismus. Literatur: Spontane Magnetisierung auch in metallfreien Leichtelementen mit Elektronen in s- und p-Orbitalen [30, 31]. Ursprung von Ferromagnetismus in verdünnten magnetischen Halbleitern/Oxiden (DMS(O)s) stark diskutiert [32, 33]. Theoretische Analysen: Periodische Defekte in Graphen-basierten (2D) Nanomaterialien, besonders h-BN, induzieren magnetische Ordnung (Ferro-, Ferri-, Antiferromagnetismus) [34]. Defekte in h-BN verändern diamagnetisches Verhalten hin zu Ferromagnetismus [35]. Übergangsmetalle (Ni, Fe, Cu, Zn, Co) zeigen zufriedenstellende magnetische Eigenschaften; Dotierung in BN-Nanosheets verspricht gute Ergebnisse. Co-Dotierung in h-BN erzeugt extrinsische Defekte, die mit intrinsischen Defekten magnetische Eigenschaften verstärken [36].

Hier wurde einfache hydrothermale Technik zur Herstellung Co-dotierter BN-Nanosheets mit verbesserter katalytischer Aktivität und magnetischem Verhalten verwendet. Dotierungseffekt untersucht durch Evaluierung struktureller, morphologischer, optischer, magnetischer Eigenschaften von BN-NS.

Methoden

Ziel: Synthese verschiedener Co-Konzentrationen in h-BN-Nanosheets via hydrothermalem Weg zur Entfernung organischer Schadstoffe aus Textilwasser und magnetischem Verhalten.

Materialien

Bulk BN-Pulver (98 %), Dimethylformamid (DMF), Methylenblau (MB), Natriumborhydrid (NaBH₄) von Sigma-Aldrich (Deutschland). Cobalt(II)-nitrat-hexahydrat (CoH₁₂N₂O₁₂) (98 %) von VWR Chemicals (UK). Alle Chemikalien ohne weitere Reinigung verwendet.

Exfoliation und Synthese Co-dotierter BN

Chemische Exfoliation für BN-NS: 5 g Bulk BN-Pulver in 200 ml DMF gelöst, 20 min gerührt (Ausgangslösung). Dann 12 h intensiv soniziert. Nach Sonikation: schwimmende BN-Sheets aus Lösung gesammelt. Dotierung hydrothermal: Cobalt(II)-nitrat-hexahydrat als Co-Dotierstoff. Verschiedene Gewichtsverhältnisse (2,5, 5, 7,5, 10 wt%) auf gesammelte BN-Nanosheets dotiert. Ausgewählte BN-NS und Cobalt(II)-nitrat-hexahydrat in verschiedenen Verhältnissen (1:0,25, 1:0,05, 1:0,075, 1:0,1) in 100 ml deionisiertem Wasser 15 min kontinuierlich gerührt. Suspension in Edelstahl-Autoklav, im Vakuumofen 200 °C 10 h (schema Abb. 1). Autoklav aus Ofen, Raumtemperatur abkühlen. Precursor auf Heizplatte 100–120 °C getrocknet.

Abb. 1 Schematische Illustration Exfoliation und Synthese Co-dotierter BN-NS.

Katalytische Aktivität

Katalytische Aktivität reiner und Co-dotierter BN-NS als Katalysatoren gemessen an Farbstoffabbau. Überwachung MB-Abbau in wässriger NaBH₄-Lösung (Reduktionsmittel). MB und NaBH₄ frisch hergestellt für Datengenauigkeit. MB gängigster Redox-Indikator in Analytischer Chemie zur Katalysator-Regulierung bei Farbstoffabbau. MB oxidiert blau, reduziert farblos [37]. Zwei Experimente: (1) 500 µl NaBH₄ + 2 mg Katalysator; (2) 1000 µl NaBH₄ + 4 mg Katalysator. Katalysatorkonzentration signifikanter Faktor für Reaktion. Katalysator senkt Aktivierungsenergie (E_a), erhöht Stabilität und Reaktionsrate. MB toxischer Farbstoff, gefährlich für Umwelt. Reduktion durch NaBH₄ zu ungiftiger, farbloser Spezies – aber langsam. Un-dotierte und Co-dotierte BN-NS: große Oberfläche + erhöhte Reaktivität → beschleunigte Reduktionseffizienz. Katalysatoreinbau in MB mit Reduktionsmittel verursacht Adsorption. Reduktionsmittelschicht auf Katalysator kann Adsorption durch Redox-Reaktion Katalysator-MB beschleunigen. Reduktionsreaktion: Elektronentransfer von Donator BH₄⁻ (z. B. NaBH₄) zu Akzeptor MB, vermittelt durch reine/gedotete BN-NS. Verringerung E_a stabilisiert Reaktion. Katalytische Aktivität evaluiert: 500 oder 1000 µl NaBH₄ in 10 ml MB-Lösung in Quarzzelle. Dann Katalysator (2 oder 4 mg) zugegeben für MB-Abbau. Farbstoffabbau spektrophotometrisch (Schema Abb. 2). Absorptionsspektren 200–800 nm mit MB als Referenz bei Raumtemperatur. Abbau mit reinen/gedoteten Katalysatoren bestätigte gesteigerte Aktivität; NaBH₄ allein degradierte MB nicht.

Abb. 2 Schematische Illustration Versuchsaufbau zur katalytischen Aktivitätsbewertung.

Materialcharakterisierung

Proben mit verschiedenen Techniken analysiert. Phasenkonstitution und Kristallinitätsgrad per PANalytical X'pert PRO XRD (Cu-Kα, λ=1,5418 Å, 2θ=5–80°). FTIR per Perkin Elmer Spektrometer für Funktionsgruppen. Emissionsspektren per Photolumineszenz (PL) Spektroskopie (JASCO FP-8200). Raman per DXR Raman Mikroskop (Thermo Scientific) mit Diodenlaser 532 nm. Morphologie per JSM-6460LV FE-SEM und Philips CM30 / JEOL JEM 2100F HR-TEM. Optische Eigenschaften per UV-Vis Genesys 10S Spektrophotometer. Elementzusammensetzung per EDS. Magnetische Eigenschaften per Vibrationsproben-Magnetometer (VSM).

Ergebnisse und Diskussion

XRD zur Phasen- und Kristallstrukturanalyse (Abb. 3a). Beugungspeaks bei 26,8°, 41,6°, 43,52°, 50,2° indexiert als (002), (100), (101), (102) Ebenen. Reflexionen bestätigen hexagonale BN-Phase, übereinstimmend mit JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Charakteristische Peakintensität steigt von rein zu dotiert → Kristallinität durch Co-Einbindung verbessert. XRD-Muster zeigen Peakverschiebung zu höheren Beugungswinkeln – Dopant in Proben vorhanden [40]. Schichtabstand d₀₀₂ per Bragg-Gesetz (nλ=2d sinθ) ~0,34 nm, konsistent mit HR-TEM [41].

Abb. 3 a XRD-Muster reiner und verschiedener Co-Konzentrationen (2,5, 5, 7,5, 10 wt%) BN-NS. b FTIR-Spektren.

FTIR für IR-Fingerabdrücke in Kontroll- und dotierten Nanosheets (Abb. 3b). Spektren bei ~808, 1020, 1160, 1370, 1672, 3187 cm⁻¹. Zwei Kernpeaks: 808 und 1370 cm⁻¹ → B-N-B (Biegeschwingungen) und B-N (Streckschwingung). Letzterer: Biegeschwingung A_2u Modus (out-of-plane); ersterer: Streckschwingung E_1u Modus (in-plane) [42, 43]. Peaks 1020, 1160, 1672 cm⁻¹ → C-O, B-N-O, C=O Bindung [44]. Peak ~3187 cm⁻¹ → B-OH Bindung [45, 46].

Strukturelle Fingerabdrücke per Raman (Abb. 4a). Charakteristisches Raman-Band bei 1370 cm⁻¹ → E_2g aktiver Phononenmodus h-BN, korreliert mit G-Peak Graphen [47]. Exfoliierte BN-NS: geringfügige Peaks 550, 880 cm⁻¹ → fluoreszierender Hintergrund [48]. Literatur: Hochwertiges monokristallines h-BN zeigt E_2g bei 1367 cm⁻¹ [40]. Hier: rotverschobener E_2g Modus durch schwache Wechselwirkung zwischen BN-Schichten. Rotverschobene Raman-Spektren zeigen wenige Lagen Nanosheets → leichte Dehnung B-N Bindungen [49, 50]. Dehnung durch Phononenerweichung, konsistent mit Literatur. Elementdotierung, Schichtstapelordnung, Domänengröße, Porosität können Peakverbreiterung/-verschiebung verursachen [51].

Abb. 4 a Raman-Spektren Kontroll- und dotierte BN-NS. b PL-Spektren.

PL-Spektroskopie für exzitonische Migration und Elektron-Loch-Rekombination (Abb. 4b). Anregung/Emissionswellenlänge λ_ex=220 nm, λ_em=310 nm. Charakteristisches Band ~322–342 nm → Elektron-Loch-Übergang durch Verunreinigungsniveau [52, 53]. Exzitonisches Band nimmt bei Dotierung zu, ohne Wellenlängenverschiebung. Peaks ~446 nm, ~471 nm: PL-Intensität steigt scharf von rein zu dotiert. 10 wt% Co-dotiert: maximale PL-Intensität → maximale Elektron-Loch-Rekombination. Intensität nimmt mit Dotierkonzentration ab → Trennung photogenerierter Ladungen [54]. Emissionsspektren zeigen anregungsabhängiges PL-Verhalten, konsistent mit Literatur [55].

UV-Vis-Spektroskopie für Absorptionsspektren und Bandlücke (Abb. 5a). Charakteristischer Absorptionspeak Host BN-NS bei ~205 nm (DUV) → Bandlücke ~5,7 eV (Abb. 5b). Bulk BN: 5,2–5,4 eV; Monolage: ~6,07 eV (theoretisch ~6,0 eV). Bi/Multilagen: 5,56–5,92 eV [43]. Konsistent mit breiter Bandlücke (Abb. 5b) und DUV-Lumineszenz (Abb. 5a): h-BN-Nanosheets als neuartige Kandidaten für Photonenemission, UV-Laser, DUV-Detektoren [56]. Absorptionskante verschiebt sich mit steigender Dotierung (2,5–10 wt%) zu längeren Wellenlängen → Rotverschiebung (Abb. 5b) [57].

Abb. 5 a UV-Vis-Spektren reiner und Co-dotierter BN-NS. b Tauc-Plot für Bandlücke.

Morphologie und Zusammensetzung per FE-SEM (Abb. 6a). Partikel zeigen aggregierte Nanosheet-Struktur mit glatter Oberfläche und gekrümmten Kanten. Abb. 6b–d: BN-Nanosheets mit Cobalt bedeckt. Agglomeration in allen Proben. FE-SEM: Nanosheets gefaltet, kompakte Schichtstruktur, unregelmäßige Form und laterale Dimension. Konfiguration/Dimensionen Folge der Bulk-BN-Exfoliation. Morphologie per HR-TEM bestätigt (Abb. 6a–d): Blattartige Morphologie. Kompakte raue Oberflächen mit leicht porösen Merkmalen → erhöhte katalytische Aktivität. Dunkle kugelförmige Punkte → erfolgreiche Dotierstoffeinbindung. Minimale Stapelung, gekrümmte Kanten (SEM Abb. 6a–d). FE-SEM und HR-TEM deuten auf erfolgreiche Exfoliation von BN-Nanosheets aus Bulk-BN hin.

Abb. 6 a, a' FE-SEM und HR-TEM reiner BN-NS. b–d FE-SEM (2,5, 7,5, 10 wt%) dotierter BN-NS. b'–d' HR-TEM (2,5, 7,5, 10 wt%) dotierter BN-NS (Einsatz 50 nm).

Schichtabstands-Messungen reiner und dotierter Proben per IFFT (Einsatz) induziert durch FFT-Bilder HR-TEM via Gatan Digital Micrograph Software für Gitterstreifen. Beobachtete d-Werte: rein 0,34 nm, 2,5 wt% dotiert 0,21 nm → d₀₀₂ bzw. d₁₀₀ Ebenen (Abb. 7a, c). Konsistent mit XRD und Standarddaten [58]. SAED-Profile (Abb. 7b, d): helle Beugungsringe, indexiert als (002), (100), (101), (102) – übereinstimmend mit XRD. SAED-Muster: alle Ringe gehören zu hexagonalem BN, validieren hochkristalline Natur der Nanosheets [58].

Abb. 7 a, c d-Abstandsanalyse Host und 2,5 wt% dotiert BN-NS. b, d SAED-Muster Kontroll- und 2,5 wt% dotiert BN-NS.

Oberflächenelementzusammensetzung dotierter BN-NS per EDS (Abb. 8a–d). Starke Peaks Bor (B), Stickstoff (N); schwaches Signal Cobalt (Co) in EDS-Spektrum (Abb. 8a). Zwei moderate Co-Peaks bei 0,5 und 7 keV in dotierten Proben → erfolgreiche Dotierstoffeinbindung. Kohlenstoffsignal <1 keV von Kohlenstoffhaltern für Probenhaltung und/oder hohem Hintergrund im SEM-EDS-Detektor. Kein Kohlenstoff in Probe [59].

Abb. 8 a–d EDS-Analyse verschiedener Konzentrationen (2,5, 5, 7,5, 10 wt%) Co-dotierter BN-NS.

Magnetische Eigenschaften Co-dotierter BN-NS per M-H-Kurve mittels VSM (Abb. 9). Sigmoidaler Hysterese-Loop → magnetischer Moment. Literatur: Reines BN diamagnetisch (χ ≈ −8,6×10⁻⁷ emu/g) [31, 35]. Im Gegensatz: Co-dotierte BN-NS zeigen Raumtemperatur-Ferromagnetismus (RT-FM) durch Austauschwechselwirkung Co²⁺ Ionen und ungepaarte Dipole, die sich entlang angewendetem Magnetfeld ausrichten. Hysterese-Loop wird präziser mit steigender Dotierkonzentration → Reinheit und erfolgreiche Dotierstoffeinbindung. Koerzitivfeld, Remanenz, Sättigungsmagnetisierung sagen Weichheit/Härte des Magnetmaterials voraus. Co-Dotierung in BN-NS bildet weichmagnetisches Material. Werte Remanenz (M_r), Sättigungsmagnetisierung (M_s), Koerzitivfeld (H_C) für 2,5, 5, 7,5 wt% per M-H-Kurve berechnet (Tabelle 1).

Abb. 9 M-H-Kurve verschiedener Konzentrationen (2,5, 5, 7,5 wt%) Co-dotierter BN-NS.

Katalytische Aktivität reiner und Co-dotierter BN-NS als Katalysatoren ausgedrückt durch MB-Abbau, untersucht per Absorptionsspektren UV-Vis-Spektrophotometer. Abb. 10a–h: Ergebnisse mit 500 µl NaBH₄ und 2 mg Katalysator. Abb. 10a: NaBH₄ allein degradiert MB nicht erfolgreich – nur 8 % nach 40 min. Reines BN-NS + NaBH₄: 45 % in 30 min (Abb. 10b). Co-dotierte BN-NS (Abb. 10c–f): signifikant höhere Abbaukapazität. Konzentrationen 2,5, 5, 7,5, 10 wt%: 58, 77, 90, 97 % Abbau in 13, 8, 3, 2 min. 10 wt%: überlegene katalytische Aktivität, 97 % Farbstoff in 2 min – höher als niedrigere Konzentrationen. Charakteristischer Peak ~290, 665 nm. Steigerung durch Erhöhung verfügbarer Adsorptions- und Katalysatorstellen. Mechanismus: 3d-Zustand Co interagiert gut mit 2p-Zustand verfügbarer B/N-Stellen in BN-NS. Starke 3d-Co / 2p-B/N-Wechselwirkung verstärkt katalytische Aktivität → schneller Farbstoffabbau [60].

Abb. 10 a Zeitabhängige UV-Vis-Spektren NaBH₄. b Reines BN-NS. c–f Verschiedene Konzentrationen (2,5, 5, 7,5, 10 wt%) Co-dotiert BN-NS. g C_t/C_o vs Zeit. h Abbauprozent-Vergleich über BN-NS-Konzentrationen.

Wiederholung mit 1000 µl NaBH₄ und 4 mg Katalysator. Erhöhte Katalysatorkonzentration → schnellere Reaktion (konsistent mit Literatur). NaBH₄ versagt weiterhin; reines BN-NS und 2,5, 5, 7,5, 10 wt% dotiert: 51, 65, 82, 95, 99 % Abbau in 27, 10, 6, 2, 1 min (Abb. 11a, b).

Abb. 11 a C_t/C_o vs Zeit (NaBH₄=1000 µl, Katalysator=4 mg). b Abbauprozent-Vergleich. c C_t/C_o vs Zeit Wiederverwendbarkeit 10 wt% Co-dotiert BN-NS. d C_t/C_o vs Zeit Wiederverwendbarkeit 10 wt% Co-dotiert BN-NS.

Nach Beer-Lambert-Gesetz: Verhältnis C_t/C_o (Konzentration zu Zeit t / Anfangskonzentration) schätzbar durch parallele Absorption A_t/A_o. Abb. 10f, 11a: Zeitverlauf C_t/C_o für alle Katalysatoren; Abb. 10g, 11b: Abbauprozent aller Katalysatoren. Abbauprozent per Gl. 1:

Abbau (%) = (C_o − C_t)/C_o × 100 (1)

pH-Wert entscheidende Betriebsvariable in Farbstoffabbau. Wichtige Rolle in Textilabwasserbehandlung und Reaktionsmechanismen. Abbauprozent hängt signifikant von pH ab. Hier pH = 8,5. Signifikant: Katalytischer Abbau beste Ergebnisse in alkalischer Umgebung – unterstützt experimentelle Befunde. Mehrere Berichte: Höchster Farbstoffabbau katalytisch in alkalischem Milieu [61].

Stabilität und Wiederverwendbarkeit (Recycling) wichtig für Katalysatorevaluation. Stabilität: Experiment 48 h ruhen lassen – Ergebnisse unverändert, Abbau im vorherigen Zustand. Wiederverwendbarkeit: Recycling 10 wt% Co-dotiert (bester Katalysator) für 3 Zyklen. Recycelte katalytische Aktivität per Spektren evaluiert (Abb. 11c, d).

Zusätzlich Katalysatorbelastung vor/nach 3-fachem Recycling untersucht. Erstes/zweites Experiment: geringer Gewichtsverlust 2 mg/4 mg (vorher) → 1,7 mg/3,6 mg (nach 3 Zyklen) bei ~5 % Messabweichung. Co-dotierte BN-NS zeigen herausragende Stabilität als Katalysator. Schließlich: Co-dotierte BN-NS exhibieren effizientes, herausragendes katalytisches Verhalten bei Farbstoffabbau in industrieller Abwasserbehandlung.

Fazit

In dieser Studie wurden Bornitrid-Nanosheets (BN-NS) durch chemische Exfoliation von Bulk-BN-Pulver synthetisiert. Verschiedene Konzentrationen (2,5, 5, 7,5, 10 wt%) Co erfolgreich via hydrothermalem Ansatz eingebaut. Reine und dotierte BN-NS durch diverse Techniken charakterisiert zur Dotierungseffekt-Evaluierung. XRD-Muster bestätigen hexagonale BN-Phase mit verbesserter Kristallinität von rein zu dotiert. Peakverschiebung → erfolgreiche Dotierung. FTIR: sp² B-N Streckschwingungen (E_1g Modus, in-plane) und B-N-B Biegeschwingung (A_2u Modus, out-of-plane). Raman: E_2g aktiver Phononenmodus h-BN. PL: Emissionsspektren durch Exzitonen-Migration/Rekombination. Host und Co-dotiert BN-NS: Absorption im DUV-Bereich mit Rotverschiebung → Bandlückenenergieabnahme → geeignet für Farbstoffabbau aus Industrieabwasser und organische Schadstoffe. Blattartige Morphologie per FE-SEM/HR-TEM. Leicht poröse Merkmale → hohe katalytische Aktivität durch verfügbare Adsorptionsstellen. EDS: Probenreinheit, Dotierstoffeinbindung bestätigt. Magnetisches Verhalten Co-dotiert BN-NS per VSM: starker Ferromagnetismus vs. diamagnetisches reines BN-NS. Sigmoidaler Hysterese-Loop wird präziser von niedriger zu höherer Co-Konzentration → Weichmagnetisches Material. Schließlich: reine und Co-dotierte BN-NS als Katalysator im Farbstoffabbau. Katalytische Aktivität effizient für die meisten Proben, aber 10 wt% Co-dotiert: signifikantes Ergebnis mit höchstem Farbstoffabbau (99 %) in 1 min – neuartiger Katalysator. Ergebnisse als Leitlinie zur Modifikation/Verbesserung magnetischer Eigenschaften für Zuverlässigkeit in moderner Optoelektronik. Synthetisiertes Material: Potenzial als stabiler, wiederverwendbarer, überlegener Nano-Katalysator zur Ersetzung konventioneller Abwasserbehandlungsmethoden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

BN-NS:

Bornitrid-Nanosheets

Co:

Kobalt

UV-Vis:

Ultraviolett-Visibel-Spektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktion

DUV:

Tiefultravioletter Bereich

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

PL:

Photolumineszenz

DMF:

Dimethylformamid

MB:

Methylenblau

NaBH₄:

Natriumborhydrid

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FE-SEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionelektronenmikroskopie

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

VSM:

Vibrationsproben-Magnetometer-Messungen