CTAB와 글리신의 혼합물로 합성된 BiFeO3 분말의 광촉매 특성

Aug 27, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12338(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)와 글리신을 연료로 다양한 연료 대 산화제(ψ) 비율을 사용하여 용액 연소 합성법을 통해 고순도 BiFeO3(BFO) 분말을 제조했습니다. 미세 구조 특성, 형태, 광학 특성 및 열 분석은 각각 X선 회절(XRD), 주사 전자 현미경(SEM), 확산 반사 분광법(DRS) 및 시차 열/열중량 측정법(DTA/TGA)을 통해 연구되었습니다. 서로 다른 연료 함량으로 제조된 연소 분말에는 Bi24Fe2O39 및 Bi2Fe4O9와 같은 불순물 상이 소량 포함되어 있습니다. BFO 분말을 600°C에서 1시간 동안 하소하는 동안 거의 순수한 BFO 상이 생성되었습니다. 연소된 분말은 가시광선 조사 90분 동안 Φ = 2에서 메틸렌 블루 염료의 약 80%를 광분해했습니다.

단상 BiFeO3(BFO)는 R3c 공간군을 나타내는 왜곡된 마름모꼴 및 페로브스카이트 구조를 갖는 다강성 물질입니다. 최대 830°C의 높은 퀴리 온도에서의 강유전성 성능과 370°C의 Neel 온도에서의 반강자성 거동으로 인해 이 재료는 비휘발성 메모리 장치, 광전지, 센서 및 스핀트로닉스1,2,3,4로 간주됩니다. 또한 페로브스카이트 구조를 가진 이러한 풍부하고 흥미로운 화합물은 향상된 조성 및 구조 조정 가능성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다5,6. 2.2-2.8 eV 범위의 좁은 밴드갭과 높은 화학적 안정성으로 인해 BFO는 유기 오염 물질을 분해하는 가시광선 광촉매로 간주되었습니다. TiO2, ZnO, CdS, ZnS 등과 같은 많은 광촉매는 자외선(UV) 광 조사 하에서 염료를 광분해하는 데 사용되었습니다8,9,10,11,12,13. 그러나 UV는 햇빛 스펙트럼의 작은 부분(~4%)에만 적용됩니다. 따라서 더 넓은 범위를 포괄하는 가시광선 촉매를 개발하기 위해 많은 노력이 이루어져 왔습니다.

Bi2O3, Bi2Fe4O9 및 Bi24Fe2O39와 같은 불순물 상은 상 형성 동역학으로 인해 BFO 합성 중에 나타납니다. 따라서 많은 연구자들은 이러한 2차 상을 제거하기 위해 다양한 합성 경로를 개발했습니다. 열수 방법20,21, 폴리머 보조 열수22, 졸-겔23, 공침24,25,26, 에어로졸 분무, 전기 방사27, 용매열 경로28 및 용액 연소29를 사용하여 순수한 BFO를 합성했습니다.

순수 BFO 분말을 합성하기 위한 간단하고 환경적으로 안전하며 에너지 효율적인 방법을 개발하는 것은 큰 관심을 끌고 있습니다. 용액 연소 합성(SCS)은 다양한 나노물질을 생산하는 간단하고 상대적으로 저렴하며 빠른 화학 공정입니다. 금속 질산염과 다양한 유기 연료(예: 글리신, 구연산, 요소 등)의 혼합물 사이에서 자체 전파 발열 반응이 발생하여 엄청난 양의 가스 생성물이 방출됩니다29.

다양한 유기 연료 중에서 글리신은 분자의 반대쪽 끝에 카르복실산과 아미노 그룹이 있기 때문에 용액에서 금속 이온 복합체의 형성을 촉진하는 아미노산입니다. 마찬가지로, Cetyltrimethylamino bromide(CTAB)는 전구체의 표면 장력을 최소화하여 입자 모양, 크기 및 미세 구조를 제어하는 데 광범위하게 사용되는 분해 온도가 높은 양이온성 계면활성제입니다. BFO는 Bi2Fe4O9 및 Bi24Fe2O3933과 같은 일부 불순물 단계를 사용하여 마이크로파 보조 용액 연소를 통해 글리신 연료로 합성되었습니다. 이전 연구에서 BFO는 일정한 연료 대 산화제 비율 1에서 다양한 단일 및 혼합 연료를 사용하여 합성되었지만, 이 연구에서는 다양한 연료 대 산화제 비율(Φ)이 0.5에서 232,33,34까지 다양했습니다.

그럼에도 불구하고, 다양한 연료를 결합하는 것은 반응 온도, 유형 및 방출되는 가스 생성물의 양에 대한 향상된 제어를 통해 개별 연료보다 더 효과적일 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 글리신과 CTAB를 다양한 연료 대 산화제 양으로 단일 몰 비율로 혼합하여 거의 순수한 단일상 BFO를 합성했습니다.

99%), glycine (C2H5NO2), were purchased from Merk Co. without any further purification. Whereby HNO3 (68 wt %) was added to dissolve bismuth nitrate. The required amount of Bi(NO3)0.5H2O and Fe(NO3)0.9H2O, cetyltrimethylammonium bromide ([(C16H33)N(CH3)3]Br), and glycine (C2H5NO2) were prepared by dissolving 15 mL of 3 mol L−1 of HNO3 in various fuel-to-oxidant ratios of (φ = 0.5, 0.75, 1 and 2). H2O, CO2, Br2, and N2 are assumed to be the gaseous products of the combustion reaction, where the type of gaseous products and adiabatic temperature are controlled by the fuel-to-oxidant ratio (φ)./p>

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