DE202022103048U1

DE202022103048U1 - Ein System zur Beschichtung der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfid-Basis zur Verbesserung der photokatalytischen Entgradungseffizienz

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Publication number: DE202022103048U1
Application number: DE202022103048.0U
Authority: DE
Original assignee: Sathyabama Institute of Science and Technology
Current assignee: Sathyabama Institute of Science and Technology
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2032-06-01

Abstract

System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung, wobei das System umfasst:
eine ZnO/CdS-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und CdS unter Verwendung von 0.05 M Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂·2H₂O) als Vorläufer;
eine ZnO/Ag₂S-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und Ag₂S unter Verwendung von Silbernitrat (AgNO₃) als Vorläufer; und
eine ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und Bi₂S₃ unter Verwendung von Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf den Bereich der Nanotechnologie, in dem die Modifizierung der Oberfläche von ZnO-Nanopartikeln zur Förderung ihrer vielfältigen Anwendung durchgeführt wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Nanotechnologie kann als eines der am schnellsten wachsenden Gebiete angesehen werden, da sie in vielen anderen Bereichen wie Chemie, Physik, Biologie und Pharmazeutik von großem Nutzen ist. Die Nanotechnologie bietet Vorteile wie hohe elektrische Eigenschaften, hohe mechanische und thermische Stabilität, eine große Oberfläche und hohe optische und magnetische Eigenschaften, wenn man ihre Größe im Nanomaßstab reduziert, und aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften haben Nanopartikel einen großen Wert in vielen Bereichen wie Katalyse, Gassensorik, Instrumente und Umweltveränderung.
Zinkoxid gilt als das beste Metalloxid für optoelektronische Anwendungen im blauen, violetten und ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Feldes aufgrund der enormen Anregungsenergie von 60 mW, die durch die Bandlücke von 3.37 eV bei Raumtemperatur erzeugt wird. Die ZnO-Nanopartikel sind von großem Interesse, da sie kostengünstig, ungiftig und mit hohem Oxidationspotential fluoreszierend sind. Die Vorteile wie hohe elektronische Anpassungsfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Transparenz und hohe Bindungsenergie machen die ZnO-Verbindungen vielversprechend für optische Geräte wie Laserdioden, Leuchtdioden, Solarzellen, Elektrolumineszenzgeräte und optische Laserdioden. Aus Gründen wie der breiten Bandlücke, der hohen Elektron-Loch-Rekombination und der geringeren Faradic-Effizienz ist es jedoch schwierig, die erforderliche photokatalytische Leistung der reinen ZnO-Nanopartikel zu erreichen. Diese Nachteile können jedoch durch die Verbindung der ZnO-Nanopartikel mit den Halbleitern mit schmaler Bandlücke überwunden werden, wobei die Synthese der binären Komposit-Nanostruktur entwickelt wird und den Absorptionsbereich erhöht, was zu einer Steigerung der photokatalytischen Effizienz führt.
Es zeigt sich, dass die Kombination von sulfidischen Nanopartikeln mit ZnO eine vielversprechende Veränderung der Oberflächeneigenschaften von ZnO bewirkt. Daher ist es notwendig, die ZnO-Nanopartikel mit den Sulfid-Nanopartikeln zu dekorieren, um die photokatalytische Abbaueffizienz zu verbessern.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis erforderlich ist, um die photokatalytische Abbauleistung zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung. Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, die ZnO (Zinkoxid)-Oberfläche mit den verschiedenen Metallsulfiden CdS, Ag₂S und Bi₂S₃ zu dekorieren, indem eine einfache chemische Ein-Topf-Fällungsmethode verwendet wird. Nach der Dekoration werden die hergestellten Nanopartikel mit verschiedenen Techniken charakterisiert, wobei die Struktur, die morphologischen und die optischen Eigenschaften der Nanopartikel mit Hilfe von Techniken wie Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Ultraviolett-Reflexionsspektroskopie (UV-DRS) und Photolumineszenzspektroskopie (PL) untersucht werden. Die Ergebnisse der XRD-Spektren zeigten eine gemischte Phase von dekorierten Metallsuzlfid-Nanopartikeln zusammen mit dem starken Muster der hexagonalen Struktur von ZnO. Die REM-Bilder bestätigen die Dekoration der winzigen CdS, Ag₂S und Bi₂S₃-Sulfid-Nanopartikel sehr gut auf der Oberfläche der hexagonalen ZnO-Stäbe. Die PL-Messungen zeigten den Peak der starken UV-Emission bei 385 nm und den Peak der breiten grün-gelben Emission bei etwa 550 nm. Die Ergebnisse zeigen, dass die optischen Eigenschaften dieser Materialien eindeutig vom synthetischen Medium beeinflusst werden.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis bereitzustellen, um die photokatalytische Abbaueffizienz zu verbessern. Das System umfasst: eine ZnO/CdS-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und CdS durch Verwendung von 0.05 M Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂·2H₂O) als Vorläufer; eine ZnO/Ag₂S-Nanoverbund-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanoverbunds mit der Kombination von ZnO und Bi₂S₃ unter Verwendung von Bismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer.
Ein Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis bereitzustellen, um die photokatalytische Abbauleistung zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Anwendung einer chemischen „Ein-Topf“-Fällungsmethode zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit verschiedenen Metallsulfiden (CdS, Ag₂S, and Bi₂S₃).
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Charakterisierung der hergestellten dekorierten Nanopartikel mit Hilfe verschiedener Charakterisierungstechniken.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Untersuchung der strukturellen, morphologischen und optischen Eigenschaften der Nanopartikel.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ein Flussdiagramm der Synthese der kombinierten ZnO- und Sulfid-Nanopartikel in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
3 die Ergebnisse der Studien zur photokatalytischen Aktivität des Farbstoffs Kristallviolett für die Nanokatalysatoren ZnO/Ag₂S, ZnO/Bi₂S₃ und ZnO/CdS mit einer Farbstoffkonzentration von 20 ppm gemäß einer Ausführungsform zeigt.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst eine ZnO/CdS-Nanokomposit-Herstellungseinheit 102 zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination aus ZnO und CdS unter Verwendung von 0.05 M Cadmiumacetat (Cd (CH₃COO)₂· 2H₂O) als Vorläufer.
In einer Ausführungsform wird eine ZnO/Ag₂S-Nanokomposit-Herstellungseinheit 104 zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination aus ZnO und Ag₂S unter Verwendung von Silbernitrat (AgNO₃) als Vorläufer verwendet.
In einer Ausführungsform wird eine ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposit-Herstellungseinheit 106 zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination aus ZnO und Bi₂S₃ unter Verwendung von Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer verwendet.
In einer Ausführungsform werden die Nanokomposite hergestellt, indem zunächst 0.5 M Zinkacetat (Zn (CH₃COO)₂. H2O) und 1 g PVP in 50 ml entionisiertem Wasser unter Rühren bei 80°C gelöst werden und dann 0.1 M von 50 ml Natriumsulfid (Na₂S.xH₂O) tropfenweise zugegeben werden und dann nach 30 Minuten die 0.05 M von 50 ml des Vorläufers für das jeweilige Nanokomposit wird langsam unter kräftigem Rühren zugegeben. Nach 2 Stunden wird der Niederschlag gesammelt und mehrmals mit Ethanol und Aceton gewaschen, um die restliche Komponente zu entfernen, und die nasse Probe wird im Heißluftofen bei einer Temperatur von 120°C 2 Stunden lang getrocknet.
In einer Ausführungsform wird Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂ · 2H₂O) im Falle von CdS, Silbernitrat (AgNO₃) im Falle von Ag₂S und Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) im Falle von Bi₂S₃ als Vorläufer verwendet.
In einer Ausführungsform werden die strukturellen, morphologischen und optischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite, d.h. ZnO/CdS, ZnO/Ag₂S und ZnO/Bi₂S₃ Nanokomposite, untersucht.
In einer Ausführungsform werden die strukturellen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite mit Hilfe eines Röntgendiffraktometers, die morphologischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und die optischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite mit Hilfe der UV-Vis-Reflexionsspektroskopie und der Aufnahme von Photolumineszenzspektren (PL) bestimmt.
In einer Ausführungsform wird ein photokatalytischer Abbau des Nanokomposits auf ZnO-Basis unter Sonnenlicht unter Verwendung von kristallviolettem (CV) Farbstoff untersucht, wobei zum Aufbrechen des CV-Farbstoffmoleküls zur Verringerung seiner Toxizität ein photochemischer Abbau unter Verwendung des vorbereiteten mit Metallsulfid dekorierten ZnO-Nanokomposits, nämlich ZnO/CdS und ZnO/Ag₂S und ZnO/Bi₂S₃, durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform wird die Photodegradation durchgeführt, indem 25 mg der hergestellten Probe der Nanokomposite mit 50 ml der wässrigen Phase des Farbstoffs gemischt werden und dann die Mischung der Farbstofflösung zwei Stunden lang dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt wird, wobei während dieser Bestrahlung in einem vordefinierten Zeitintervall 2 ml der Lösung aus der Mischung in der Vorrichtung entnommen werden. Das Absorptionsmaximum für den CV wird mit 585 nm angegeben. Der Abbau des CV wird anhand des Absorptionsmaximums mit Hilfe eines UV-Spektrometers analysiert, wobei die Formel zur Berechnung der Verschlechterungseffizienz in Gleichung (1) ausgedrückt ist. $Abbau - Effizienz (%) = \frac{C_{0} - C}{C_{0}} \times 100$
In der Gleichung (1) stehen Co und C für die Farbstoffmolekülkonzentration in der Anfangsphase bzw. für variable Intensitäten. Der behandelte Katalysator wird für die Durchführung des Katalysatorstabilitätsexperiments zentrifugiert und nach der Zentrifugation mit einer Aceton/H₂O-Lösung gewaschen und dann nach dem ersten Zyklus bei einer Temperatur von 75°C getrocknet. Zur Berechnung der genauen Schadstoffentfernungsrate wird eine kinetische Studie erster Ordnung durchgeführt, die in Gleichung (2) dargestellt ist. $- ln (C / C_{0}) = kt$
In Gleichung (2) steht k für die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und t für die Zeitdauer. Das Ziel der photokatalytischen Forschung ist es, eine durchschnittliche Lichtintensität von 0.85 x 10⁵ Lux zu erreichen. Darüber hinaus wird auch der Einfluss des pH-Wertes und der katalytischen Dosis untersucht. Die Einstellung des pH-Werts der Farbstofflösung erfolgt durch Zugabe von 0.1 M HCl-Säure und 0.1 M Natriumhydroxid (NaOH).
2 zeigt ein Flussdiagramm der Synthese von kombinierten ZnO- und Sulfid-Nanopartikeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Syntheseprozess (200) der sulfidbasierten Heterostruktur-Nanokomposite umfasst die folgenden Schritte.
In Schritt 202 werden 0.5 M Zinkacetat (Zn(CH₃COO)₂.H₂O) und 1 g PVP in 50 ml entionisiertem Wasser unter Rühren bei 80°C gelöst.
In Schritt 204 wird 0.1 M Natriumsulfid (Na₂S.xH₂O) aus 50 ml Lösung tropfenweise in die obige Lösung gegeben.
In Schritt 206 wird ein 0.05 M von 50 ml Vorläufer für den jeweiligen Sulfidverbundstoff langsam nach 30 Minuten in die oben vorbereitete kolloidale Lösung unter kräftigem Rühren zugegeben, wobei Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂·2H₂O) als Vorläufer im Falle von CdS, Silbernitrat (AgNO₃) als Vorläufer im Falle von Ag₂S und Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer im Falle von Bi₂S₃ verwendet wird.
In Schritt 208 werden die Ausfällungen nach 2 Stunden Rühren gesammelt und mehrmals mit Ethanol und Aceton gewaschen, um den restlichen Bestandteil zu entfernen.
In Schritt 210 werden die nassen Proben in einem Heißluftofen bei einer Temperatur von 120 °C über einen Zeitraum von 2 Stunden getrocknet.
In einer Ausführungsform werden die Charakterisierungsergebnisse aus den verschiedenen durchgeführten Techniken zur Untersuchung der strukturellen, morphologischen und optischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite auf Sulfidbasis im Folgenden im Detail erläutert.
Röntgenbeugung: Die bei 31.61°, 34.26°, 36.10°, 47.47°, 56.40°, 62.68°, 67.72°, 68° und 69° gefundenen Beugungsspitzen entsprechen den Ebenen (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) und (201), und diese starken Spitzen weisen auf die hexagonale Struktur des ZnO hin. Es ist zu beobachten, dass die hohe Intensität des Peaks der Ebene (101) sich leicht verändert, wenn die Nanopartikel auf Sulfidbasis auf der ZnO-Oberfläche dekoriert sind. Das XRD-Muster des ZnO/CdS-Nanokomposits zeigt drei markante Peaks bei 20-Werten von 24.54°, 43.88° und 52.67°, die den Ebenen (111), (220) und (311) der kubischen Ebenen von CdS entsprechen, wobei die hohe FWHM der Beugungspeaks darauf hinweist, dass eine winzige Menge von CdS auf der Oberfläche des hexagonalen ZnO gewachsen ist. Das XRD-Muster des ZnO/Ag₂S-Nanokomposits zeigt, dass die Peaks bei 26.5°, 29.5°, 41.2°, 43.8°, 46.1° und 46.8° den (012)-, (111)-, (031)-, (103)-, (123)- und (004)-Ebenen der monoklinen Kristallstruktur von Ag₂S entsprechen, wobei die Verbreiterung der Beugungspeaks des Ag₂S eindeutig auf das geringe Ag₂S mit ZnO hinweist. Das XRD-Muster des ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposits zeigt Peaks bei 17.7°, 24.8°, 31.6°, 45.3°, 46.4° und 52. 6°, was den (120), (130), (221), (002), (431) und (351) Ebenen der orthorhombischen Standard- Bi₂S₃-Phase entspricht, wobei die Peaks der hergestellten Komposite genau mit denen der reinen ZnO- und Bi₂S₃-Phasen übereinstimmen und keine anderen Verunreinigungspeaks aufweisen, was darauf hinweist, dass die ZnO/ Bi₂S₃-Komposite nur aus Bi₂S₃ und ZnO bestehen. Es wurde festgestellt, dass die kristalline Größe der hergestellten Nanokomposite im Bereich von 40-60 nm liegt und mit der Debye-Scherrer-Formel bestimmt wurde.
Rasterelektronenmikroskopie: Die REM-Bilder zeigen die Oberflächenmorphologie der ZnO-basierten Nanokomposite. Die REM-Bilder des ZnO/CdS-Nanokomposits zeigen, dass das CdS gleichmäßig auf die Oberfläche der hexagonalen ZnO-Stäbe aufgebracht ist. Die REM-Bilder des ZnO/Ag₂S-Nanokomposits zeigen, dass die Ag₂S-Partikel kleinerer Größe auf der Oberfläche der ZnO-Straße verteilt sind und dass sich nach der Imprägnierung der ZnO-Oberfläche mit Ag₂S die Morphologie des ZnO verändert. Die SEM-Bilder des ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposits zeigten die Dekoration von winzigen Bi2S3 auf der Oberfläche des ZnO mit der umfassenden Beschichtung der Bi₂S₃-Nanopartikel auf ZnO und es wird rauer mit der Abdeckung von Bi₂S₃ und dies zeigt die Agglomeration, die dadurch in der geringen Menge von Bi₂S₃ führt und wirkt sich auf den Raum zwischen ZnO-Nanopartikeln.
Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR): Die FTIR-Spektroskopie wird durchgeführt, um die Eigenschaften der funktionellen Gruppen zu ermitteln. Zur Durchführung der FTIR werden die Proben getrocknet und mit KBr gemischt, um Pellets zu bilden, die dann mittels FTIR analysiert werden. Das FTIR-Spektrum zeigte verschiedene charakteristische Peaks. Der breite Peak bei 3400-3500 cm-1 zeigt die O-H-Streckung der Wassermoleküle an. Die Peaks bei 490 cm-1 zeigen die ZnO-Metall-Sauerstoff-Schwingungen an. Die Peaks im Wellenlängenbereich von 1000-1250 cm-1 entsprechen den S-O-Schwingungen. Die Peaks bei 1186-1224 und 1018-1095 cm-1 entsprechen den asymmetrischen Valenzschwingungen bzw. den symmetrischen Valenzschwingungen der S-O-Bindung. Der Peak bei 608 cm-1 steht für die Cd-S-Verschachtelung des CdS. Der Peak bei 237 cm-1 entspricht den Ag-S-Schwingungen.
UV-sichtbare Spektroskopie: In der UV-Vis-Spektroskopie werden die sichtbare Absorption und das diffuse Reflexionsspektrum der hergestellten Nanokomposite bestimmt. Die Absorption des massiven ZnO ist im Bereich von 350-380 nm zu sehen. Es wird beobachtet, dass sich der Absorptionspeak nach der Dekoration des ZnO mit CdS in den sichtbaren Bereich bei 460 nm verschiebt. Das UV-sichtbare Spektrum des ZnO/CdS-Nanokomposits zeigt, dass sich die entsprechenden Absorptionsspitzen deutlich verschieben. Die optische Bandlücke der ZnO/CdS-Nanopartikel wurde mit Hilfe des Absorptionskoeffizienten berechnet, der eine direkte Bandlücke von 2.49 eV angibt. Im Falle des ZnO/Ag₂S-Nanokomposits ist die Absorptionskante bei etwa 650 nm mit einer Bandlücke von 1.92 eV zu sehen, wobei die Absorptionswellenlänge höher ist als die des reinen ZnO. Im Falle von ZnO/Bi₂S₃-Nanopartikeln wird eine ähnliche Lichtreaktion beobachtet, bei der eine starke Absorption im sichtbaren Wellenlängenbereich zu beobachten ist. Nach der Modifizierung von ZnO ist jedoch eine Erhöhung der Absorption des Verbundstoffs im sichtbaren Licht zu beobachten, was auf die synergistische Absorption von ZnO und Bi₂S₃ zurückzuführen sein könnte, wobei die Nanopartikel eine Bandlücke von 2.33 eV aufweisen. Die Ergebnisse der Untersuchung der optischen Absorption zeigen deutlich, dass die Rolle des Sulfidmaterials mit schmaler Bandlücke die Dekoration der ZnO-Oberfläche ist.
Photolumineszenz-Studie (PL): Mit dieser Studie wird die Effizienz der Trennung der Elektronen-Loch-Paare für die Proben ermittelt. Es wird beobachtet, dass die Katalysatoren eine breite Emission im sichtbaren Bereich aufweisen. Eine geringere PL-Intensität deutet auf eine geringere Rekombination der photogenerierten Ladungsträger hin, die an der Gesamtreaktion beteiligt sind. Die optischen Absorptionsspektren der ZnO/CdS-Nanopartikel werden im Bereich von 400-800 nm aufgezeichnet, wobei das CdS einen starken Emissionspeak im Wellenlängenbereich von 500-750 nm aufweist, der auf die mit den Cadmium- und Schwefel-Lücken verbundenen Oberflächendefekte zurückgeführt werden kann. Die Lumineszenzeigenschaft des CdS ist auf die Oberflächendefekte und die flachen und tiefen Fallenzustände zurückzuführen. Es wird beobachtet, dass die erhaltene PL-Emission im Vergleich zu den reinen CdS-Nanopartikeln blau verschoben ist, was offensichtlich den Elektronentransfer von CdS zu ZnO bei Anregung zeigt. Das PL-Spektrum des ZnO/Ag₂S zeigt eine starke und breite Emission, die auf die Verstärkung der Rekombination der Paare der photogenerierten Elektronen-Lochs durch das Ag₂S auf der Oberfläche des ZnO zurückzuführen ist. Das PL-Spektrum des ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposits zeigte eine geringere PL-Intensität im Vergleich zu reinem ZnO und Bi₂S₃, was darauf hindeutet, dass die photogenerierten Ladungsträger für dieses Nanokomposit effektiv getrennt werden und ihre Lebensdauer verlängert wird, was hauptsächlich auf die Heteroübergangsstruktur innerhalb des ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposits zurückzuführen ist.
3 zeigt die Ergebnisse der Studien zur photokatalytischen Aktivität des Farbstoffs Kristallviolett für die Nanokatalysatoren ZnO/Ag₂S, ZnO/Bi₂S₃ und ZnO/CdS bei einer Farbstoffkonzentration von 20 ppm gemäß einer Ausführungsform. Außerdem zeigt die Tabelle in dieser Figur einen Vergleich der Abbaueffizienz.
UV-sichtbare Spektren des CV-Farbstoffs in Anwesenheit der hergestellten Nanokomposite als Katalysator, nämlich ZnO/CdS, ZnO/Ag₂S und ZnO/Bi₂S₃, zeigten, dass die Konzentration des Farbstoffmoleküls bei der Behandlung des CV-Farbstoffs unter der Bestrahlung mit sichtbarem Licht abnimmt, was zum Abbau der Farbstoffgruppe des CV-Farbstoffs führt. Es wird beobachtet, dass die ZnO/Ag₂S-, ZnO/Bi₂S₃- und ZnO/CdS-Nanokatalysatoren das organische Molekül innerhalb eines Zeitraums von 2 Stunden mit einer Effizienz von 94.1 %, 75.2 % bzw. 67.6 % zersetzen.
Die Nanokomposit-Struktur verbessert die Abbaueffizienz, indem sie die Lichtabsorptionsrate und die Produktion von Elektronen-Loch-Paaren erhöht und die Rekombination verzögert. Es wurde festgestellt, dass von den drei Nanokompositen das ZnO/Ag₂S-Nanokomposit alle anderen Nanokomposite als Katalysator in Bezug auf die Abbaugeschwindigkeit übertroffen hat. Nach der Analyse der Veränderung der Anfangs- und Endkonzentration des Farbstoffs wird festgestellt, dass während des Abbauprozesses eine große Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies auf der Grundlage des Unterenergieniveaus des Leitungsbandes (ROS) erzeugt wird. Die Abbauraten der ZnO/Ag₂S-, ZnO/Bi₂S₃- und ZnO/CdS-Nanokatalysatoren gegen den CV-Farbstoff betragen 0.050 min-1, 0.025 min-1 bzw. 0.020 min-1.
In einer Ausführungsform besteht der Prozess des heterogenen photokatalytischen Farbstoffabbaus auf ZnO-Basis aus zwei Schritten, wobei das erste Farbstoffmolekül mit dem Katalysator in Wechselwirkung tritt, wobei die Adsorption an der Oberfläche erfolgt, und im zweiten Schritt der Photodegradation des Farbstoffs beginnt. Das photokatalytische System ist in hohem Maße von den Adsorptions- und Photodegradationsfähigkeiten des Katalysators abhängig. Der ZnO/Ag₂S-Nanokomposit wies die höchste Abbaueffizienz unter allen Katalysatoren auf, weshalb dieser Nanokomposit für die Durchführung von Scavenger-Untersuchungen ausgewählt wurde, um den Abbaumechanismus besser zu verstehen. Bei dieser Scavenger-Untersuchung werden die Scavenger zur Beseitigung der entstehenden reaktiven Sauerstoffspezies eingesetzt. Insbesondere die photoaktiven Katalysatoren erzeugen reaktive Sauerstoffspezies (h+, OH₈• und O2•-), und es ist wichtig, ihre Auswirkungen und ihre Rolle bei der photochemischen Zersetzung zu untersuchen und einzuordnen. Daher werden die reaktiven Sauerstoffspezies durch Anreicherung von entsprechenden Fängern wie EDTA (h+-Fänger), Methanol (OH•-Fänger) und p-BQ (O2•-- Fänger) in der Reaktionslösung eliminiert. Das Scavenger-Experiment zeigte, dass nur p-BQ einen signifikanten Unterschied in der Effizienz der beiden Farbstoffe aufwies und daher Superoxid-Radikale eine wichtige Rolle in der Gesamteffizienz des Photodegrades spielen.
In einer Ausführungsform wird eine Untersuchung zur Bestimmung der Stabilität und Wiederverwendbarkeit der Photokatalysatoren durchgeführt, wobei die Ergebnisse des Wiederverwendbarkeitstests zeigen, dass der Katalysator stabil ist und selbst nach fünf aufeinanderfolgenden Zyklen des photokatalytischen Prozesses keine wesentliche Verringerung der Abbauleistung zu verzeichnen ist. Eine Verringerung der Wirksamkeit des Photokatalysators ist nach 5 Zyklen festzustellen, was auf den Probenverlust während des Waschvorgangs zurückzuführen ist.
In einer Ausführungsform wird der Mechanismus des CV-Farbstoffabbaus für den ZnO/Ag2S-Nanokompositkatalysator im Folgenden beschrieben.

(i) Bildung eines Exzitons (Elektron-Loch-Paar) ZnO/Ag₂S + hv →h⁺(VB) + e^- (CB)
(ii) Bildung von Hydroxylradikalen OH^- + h⁺ →OH^• H₂O + h⁺ →OH^• + H⁺
(iii) Bildung von Superoxyd-Radikalen O₂ + e^- → O₂•-
(iv) Photoabbau von FG- und RB-Farbstoff Farbstoff + OH^• + O₂ ^•- → Abbauprodukte

In der vorgeschlagenen Offenlegung wurde festgestellt, dass der ZnO/Ag₂S-Nanokatalysator die ZnO-Bi₂S₃- und ZnO/CdS-Photokatalysatoren übertraf. Die höhere Effizienz des ZnO/Ag₂S-Katalysators kann auf zwei wichtige Faktoren zurückgeführt werden: erstens auf die Verringerung der Bandlückenenergie und zweitens auf die geeignete Photokatalysatorstruktur. Die Bandlückenenergie des ZnO/Ag₂S-Nanokomposits ist mit 1.92 eV niedriger als die anderer Metallkomposite. Daher hat der ZnO/Ag₂S-Katalysator eine höhere photokatalytische Aktivität, da er die Absorption des einfallenden sichtbaren Lichts erhöht und die Rekombination verringert. Darüber hinaus spielt die Form des ZnO/Ag₂S-Nanokomposits eine wichtige Rolle für den Abbau, da es sich um eine verschmolzene Heterostruktur handelt, die die Interaktion mit den Farbstoffmolekülen unterstützt. Das ZnO/Ag₂S kann als effektiver Katalysator für die Mineralisierung von organischen CV-Farbstoffmolekülen unter dem kurzen Zeitintervall des Sonnenlichts betrachtet werden.
In einer Ausführungsform spielt der pH-Wert der Farbstofflösung eine wichtige Rolle für die Abbaueffizienz, da er die Oberflächenladung des Photokatalysators verändert. Daher werden die Auswirkungen des pH-Werts für den besten Katalysator ZnO/Ag₂S im Bereich von 5 bis 10 pH untersucht, wobei festgestellt wurde, dass bei pH 8 der höchste CV-Farbstoffabbau stattfindet. Die Studie bestätigt, dass das basische Medium der Farbstofflösung aufgrund der höheren Adsorption der Farbstoffmoleküle an der Oberfläche des Katalysators besser geeignet ist, um einen hohen Abbau zu erreichen. Im sauren Medium hingegen ist der Wirkungsgrad geringer, da die Lösung stark durch die Bildung einer elektrischen Doppelschicht beeinträchtigt wird.
Aus allen durchgeführten Studien und Untersuchungen kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass durch die Verwendung von Sulfid für die Dekoration des ZnO eine hohe Kristallqualität erreicht werden kann, bei der eine gleichmäßige Verteilung der winzigen sulfidbasierten Nanopartikel auf der ZnO-Oberfläche zu sehen ist und das hergestellte Nanokomposit eine Heterostruktur aufweist. Die Dekoration des ZnO mit Sulfid erhöht die optische Absorption des ZnO in Richtung der unteren Bandlücke, was zu einer Verbesserung der photokatalytischen Leistung führt. Da das ZnO/Ag₂S-Nanokomposit eine hervorragende Leistung von 94.1 % beim Abbau von CV-Farbstoffen unter natürlichem Licht aufweist, kann es für verschiedene industrielle Anwendungen wie z. B. in der Textilindustrie und im Abwassermanagement eingesetzt werden.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorteile und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Ein System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung.
102: Einheit zur Herstellung von ZnO/CdS-Nanokompositen
104: Einheit zur Herstellung von ZnO/Ag₂S-Nanokompositen
106: Einheit zur Herstellung von ZnO/Bi₂S₃-Nanokompositen
200: Synthese von kombinierten ZnO- und Sulfid-Nanopartikeln
202: 0.5 M Zinkacetat (Zn(CH₃COO)₂.H₂O) und 1 g PVP werden in 50 ml entionisiertem Wasser unter Rühren bei 80°C aufgelöst.
204: 0.1 M von 50 ml Natriumsulfid (Na₂S.xH₂O) wird tropfenweise in die obige Lösung gegeben.
206: Ein 0.05 M 50 ml Vorläufer für den jeweiligen Sulfidverbundstoff wird langsam nach 30 Minuten in die oben vorbereitete kolloidale Lösung unter kräftigem Rühren zugegeben, wobei Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂.2H₂O) als Vorläufer im Falle von CdS, Silbernitrat (AgNO₃) als Vorläufer im Falle von Ag₂S und Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer im Falle von Bi₂S₃ verwendet wird.
208: Die Präzipitate werden nach 2 Stunden Rühren gesammelt und mehrmals mit Ethanol und Aceton gewaschen, um die restlichen Bestandteile zu entfernen.
210: Die feuchten Proben werden im Heißluftofen bei einer Temperatur von 120 °C 2 Stunden lang getrocknet.

Claims

System zur Dekoration der ZnO-Oberfläche mit winzigen Nanopartikeln auf Sulfidbasis zur Verbesserung der photokatalytischen Abbauleistung, wobei das System umfasst: eine ZnO/CdS-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und CdS unter Verwendung von 0.05 M Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂·2H₂O) als Vorläufer; eine ZnO/Ag₂S-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und Ag₂S unter Verwendung von Silbernitrat (AgNO₃) als Vorläufer; und eine ZnO/Bi₂S₃-Nanokomposit-Herstellungseinheit zur Herstellung des Nanokomposits mit der Kombination von ZnO und Bi₂S₃ unter Verwendung von Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer.
System nach Anspruch 1, wobei die Nanokomposite hergestellt werden, indem zunächst 0.5 M Zinkacetat (Zn(CH₃COO)₂.H₂O) und 1 g PVP in 50 ml entionisiertem Wasser unter Rühren bei 80°C gelöst werden und dann 0.1 M von 50 ml Natriumsulfid (Na₂S.xH₂O)-Lösung tropfenweise zugegeben werden und dann nach 30 Minuten die 0.05 M von 50 ml des Vorläufers für das jeweilige Nanokomposit wird langsam unter kräftigem Rühren zugegeben. Nach 2 Stunden wird der Niederschlag gesammelt und mehrmals mit Ethanol und Aceton gewaschen, um die restliche Komponente zu entfernen, und die nasse Probe wird im Heißluftofen bei einer Temperatur von 120°C 2 Stunden lang getrocknet.
System nach Anspruch 2, wobei im Falle von CdS Cadmiumacetat (Cd(CH₃COO)₂-2H₂O), im Falle von Ag₂S Silbernitrat (AgNO₃) und im Falle von Bi₂S₃ Wismutnitrat (Bi(NO₃)₃.5H₂O) als Vorläufer verwendet werden.
System nach Anspruch 1, wobei strukturelle, morphologische und optische Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite, nämlich ZnO/CdS, ZnO/Ag₂S und ZnO/Bi₂S₃, untersucht werden.
System nach Anspruch 4, wobei die strukturellen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers bestimmt werden, die morphologischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite durch Rasterelektronenmikroskopie bestimmt werden und die optischen Eigenschaften der hergestellten Nanokomposite durch UV-Vis-Reflexionsspektroskopie und Aufzeichnung von Photolumineszenzspektren (PL) bestimmt werden.
System nach Anspruch 1, wobei ein photokatalytischer Abbau des Nanokomposits auf ZnO-Basis unter Sonnenlicht unter Verwendung von Kristallviolett (CV)-Farbstoff untersucht wird, wobei zum Aufbrechen des CV-Farbstoffmoleküls zur Verringerung seiner Toxizität ein photochemischer Abbau unter Verwendung des hergestellten Metallsulfid-dekorierten ZnO-Nanokomposits, nämlich ZnO/CdS und ZnO/Ag₂S und ZnO/Bi₂S₃, durchgeführt wird.