DE202022103529U1

DE202022103529U1 - Eine Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO2-Nanopartikeln

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Publication number: DE202022103529U1
Application number: DE202022103529.6U
Authority: DE
Original assignee: Sathyabama Institute of Science and Technology
Current assignee: Sathyabama Institute of Science and Technology
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2032-06-25

Abstract

Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO2-Nanopartikeln, wobei die Zusammensetzung umfasst:
ein Pulverextrakt aus Kupfer(II)-acetat, 3-6 g in 100 ml entionisiertem Wasser;
ein Pulverextrakt aus Zinn(II)-chlorid, von 30-50 g in 100 ml entionisiertem Wasser;
ein Pulverextrakt aus Polyvinylpyrrolidon, von 0.5-2 Gramm;
ein Pulverextrakt aus Silbernitrat, 0.25-1 Gramm in 50 ml entionisiertem Wasser;
eine Palette Natriumhydroxid, 60-100 Gramm; und
ein wässriger Auszug aus Aceton.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf die Synthese von Nanopartikeln, genauer gesagt, auf eine Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikeln.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren wurde der Entwicklung der Photokatalyse auf der Basis von Metalloxiden immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet, was zu einer weit verbreiteten Anwendung führte. Die Entfernung von gefährlichen Stoffen wie giftigen Farbstoffen und organischen Rückständen aus dem Abwasser ist in den letzten Jahren sehr attraktiv geworden. Die Metalloxid-Photokatalyse ist ein geeignetes Mittel zur Entfernung verschiedener Farbstoffverunreinigungen. Die häufigsten Quellen für chemische Verunreinigungen in Gewässern sind industrielle Abwässer, Farbstoffe, Pestizide, Medikamente und Kosmetika. Da chemische Verunreinigungen ein echtes Problem für die Gesellschaft darstellen, werden weltweit viele Technologien und Strategien entwickelt, um neue Lösungen zu finden. Unter den verschiedenen Technologien hat die Photokatalyse eine große Zukunft. Der Prozess der Photokatalyse ist eine saubere und umweltfreundliche photochemische Methode zur Wasserreinigung. Bei diesem Verfahren wandeln die auf Halbleitern basierenden Materialien die Photonenenergie in einen chemischen Oxidations- oder Reduktionsprozess um, bei dem die Schadstoffe im Wasser weiter abgebaut werden. Insgesamt ist die Wasserreinigung auf der Grundlage von Photokatalysatoren vielversprechend und wird aufgrund ihrer Einfachheit, Kosteneffizienz, Robustheit, Solarenergie als Input und ihrer Wirksamkeit bei allen Arten von Verunreinigungen sowie ihrer attraktiven Effizienz weithin angenommen.
Die plasmonische Photokatalyse ist einer der einzigartigen und neuartigen Prozesse zur Verbesserung der Photokatalyse. Während des plasmonischen Photokatalyseprozesses, wenn plasmonische Materialien mit Metalloxiden integriert werden, wird die breite Bandlücke des Halbleiters sichtbar, so dass er sich in einer niedrigeren Bandlücke befindet. Die photokatalytische Aktivität bei sichtbarem Licht hängt stark von den Oberflächeneigenschaften des Metalloxid-Photokatalysators ab. Grundlegende Konzepte von Oberflächenplasmonen sind die kumulativen Elektronen und Oberflächenladungen in leitenden Materialien, die stark auf Licht reagieren. Gold, Platin und Silber sind Edelmetalle, die eine abstimmbare plasmonische Resonanz im Bereich des sichtbaren Lichts aufweisen. Unter den oben genannten Metallen hat sich Silber aufgrund seiner Stabilität und Kosteneffizienz als geeignetes und wünschenswertes Metall für die plasmonische Photokatalyse erwiesen. Außerdem hat es die höchste thermische und elektrische Leitfähigkeit unter allen Metallen. Daher kann es als effektiver Katalysator dienen. Edelmetall-Nanopartikel (Ag, Au, Cu), die in eine isolierende Matrix eingebettet sind, zeigen neuartige, von Form, Oberfläche und Größe abhängige optische Eigenschaften. Diese Metallnanopartikel weisen eine verbesserte Lichtabsorption auf, die auf eine lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz zurückzuführen ist, die durch kollektive Schwingungen ihrer Leitungselektronen entsteht. Dies führt zu einer wellenlängenselektiven Absorption von Licht und zu stark verstärkten elektromagnetischen Feldern um diese Metallnanopartikel, was sie für verschiedene photonische Anwendungen wie optische Filter, optische Pinzetten und ultraschnelle optische Schaltvorgänge vielversprechend macht. Die Eigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) von Silber können auch bei sichtbarem Licht hilfreich sein. Silbernanopartikel, die mit Metalloxiden integriert sind, werden zu einem der neuartigen plasmonischen Photokatalyseeffekte. Kürzlich wurde über plasmonische Photokatalysatoren mit Ag-Trägern wie TiO₂-Ag, ZnO-Ag, AgCl-Ag, CuO-Ag, SnO₂-Ag und NiO-Ag berichtet.
In den letzten Jahren haben viele Forscher entdeckt, dass Metalloxide als aktive Katalysatoren zum Abbau organischer Farbstoffe verwendet werden können. Im Vergleich zu den reinen Metalloxiden haben silberdotierte Metalloxide beim Abbau von Textilfarbstoffen große Aufmerksamkeit erregt. In jüngster Zeit konzentrierten sich die Bemühungen auf Photokatalyseverfahren auf der Grundlage von CuO und SnO₂. CuO ist eine sehr gute Wahl als Halbleiter-Photokatalysator, da es einfach und billig zu synthetisieren und nicht toxisch ist. Es hat außerdem hohe Exzitonenbindungsenergiewerte, Leitfähigkeit und hohe thermische Stabilität sowie gute optische und elektronische Eigenschaften. Es ist ein p-Typ-Halbleiter mit einer schmalen Bandlücke (1.85 eV). Zinndioxid (SnO₂) ist ein n-Typ-Halbleiter mit einer breiten Bandlücke von 3.6 eV. SnO₂ ist physikalisch stabil und kann in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden; daher ist es eines der attraktivsten Halbleitermaterialien unter einer Vielzahl von Metalloxiden. Die Metalloxide haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad, da sie Licht im sichtbaren Bereich schlecht absorbieren. Daher sind Ag-dotierte Metalloxide einzigartig, um die Plasmonen-Photokatalysatoren im sichtbaren Lichtbereich zu verbessern.
In Anbetracht der vorangegangenen Diskussion wird deutlich, dass eine Zusammensetzung für die Synthese hocheffizienter Ag-dotierter Metalloxide wie CuO- und SnO₂-Photokatalysator-Nanopartikel erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, eine Zusammensetzung für die Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikeln durch ein einfaches chemisches Verfahren bereitzustellen.
In einer Ausführungsform wird eine Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikeln offenbart. Die Zusammensetzung umfasst einen Pulverextrakt von Kupfer(II)-acetat, von 3-6 Gramm in 100 ml entionisiertem Wasser; einen Pulverextrakt von Zinn(II)-chlorid, von 30-50 Gramm in 100 ml entionisiertem Wasser; einen Pulverextrakt von Polyvinylpyrrolidon, von 0.5-2 Gramm; einen Pulverextrakt von Silbernitrat, von 0.25-1 Gramm in 50 ml entionisiertem Wasser; eine Palette von Natriumhydroxid, von 60-100 Gramm; und einen wässrigen Extrakt von Aceton.
In einer anderen Ausführungsform werden vorzugsweise 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) und 1 g Polyvinylpyrrolidon mit 100 mL entionisiertem Wasser unter Rühren bei 100 °C mit einem Rührer vermischt, wobei vorzugsweise 0.36 g Silbernitrat (Ag(NO₃)) in 50 mL entionisiertem Wasser zugegeben wird, um eine heiße Lösung herzustellen.
In einer anderen Ausführungsform wird die Lösung mindestens 10 Minuten ruhen gelassen, wobei vorzugsweise 80 g NaOH-Pellets direkt in die heiße Lösung gegeben werden, um eine blau gefärbte Lösung herzustellen, wobei die blau gefärbte Lösung in eine dunkel gefärbte heiße Lösung umgewandelt wird.
In einer anderen Ausführungsform wird die erhaltene braun gefärbte kolloidale Lösung nach 2 Stunden kontinuierlichem Rühren mit dem Rührer durch mehrmaliges Waschen mit entionisiertem Wasser und Aceton gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen.
In einer anderen Ausführungsform werden die resultierenden Pulverproben zur Synthese von CuO-Ag- und Ag-CuO-Nanopartikeln 4 Stunden lang in einem Heißluftofen bei 120 °C getrocknet.
In einer anderen Ausführungsform werden 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) vorzugsweise durch 37.92 g Zinn(II)-chlorid (SnCl₂-2H₂O) zur Synthese von SnO₂-Ag- und Ag-SnO₂-Nanopartikeln ersetzt.
In einer anderen Ausführungsform werden die Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikel durch ein einfaches chemisches Verfahren hergestellt.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Synthese von CuO-Ag-, Ag-CuO-Nanopartikeln und SnO₂-Ag- und Ag-SnO₂-Nanopartikeln.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Synthese von Nanopartikeln mit einer Kristallitgröße im Bereich von 18-22 nm und einer sphärischen Form.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine schnelle und kostengünstige Zusammensetzung für die Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikeln bereitzustellen.
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 XRD-Patens der (a) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikel und (b) Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikel in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 UV-Vis-Absorptionsspektren der (a-b) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikel und entsprechende Bandlückenkurven (c-d) Absorptionsspektren von Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikeln und entsprechende Bandlückenkurven gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 die Photolumineszenzspektren von (a) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikeln und (b) Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikeln in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ein FTIR-Spektrum von (a) CuO-Ag-Nanopartikeln und (b) SnO₂-Ag-Nanopartikeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 Tabelle 1 veranschaulicht, die den Vergleich der katalytischen Aktivität von Ag-dotiertem CuO und SnO mit anderen Katalysatoren beim Abbau des Farbstoffs Bromphenolblau zeigt;
6 Tabelle 2 veranschaulicht, die den Vergleich zwischen den photokatalytischen Leistungen von Ag-dotiertem CuO und SnO mit anderen Katalysatoren beim Abbau des Farbstoffs Crystal Violet zeigt; und
7 die in Tabelle 3 dargestellten Studien zur photokatalytischen Aktivität von Ag-dotiertem CuO und Ag-dotiertem SnO₂-Nanokatalysatoren veranschaulicht.

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.
AUSFÜHRLICHE 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.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden.
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.
In einer Ausführungsform wird eine Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikeln offenbart. Die Zusammensetzung umfasst einen Pulverextrakt von Kupfer(II)-acetat, von 3-6 Gramm in 100 ml entionisiertem Wasser; einen Pulverextrakt von Zinn(II)-chlorid, von 30-50 Gramm in 100 ml entionisiertem Wasser; einen Pulverextrakt von Polyvinylpyrrolidon, von 0.5-2 Gramm; einen Pulverextrakt von Silbernitrat, von 0.25-1 Gramm in 50 ml entionisiertem Wasser; eine Palette von Natriumhydroxid, von 60-100 Gramm; und einen wässrigen Extrakt von Aceton.
In einer anderen Ausführungsform werden vorzugsweise 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) und 1 g Polyvinylpyrrolidon mit 100 mL entionisiertem Wasser unter Rühren bei 100 °C mit einem Rührer vermischt, wobei vorzugsweise 0.36 g Silbernitrat (Ag(NO₃)) in 50 mL entionisiertem Wasser zugegeben wird, um eine heiße Lösung herzustellen.
In einer anderen Ausführungsform wird die Lösung mindestens 10 Minuten ruhen gelassen, wobei vorzugsweise 80 g NaOH-Pellets direkt in die heiße Lösung gegeben werden, um eine blau gefärbte Lösung herzustellen, wobei die blau gefärbte Lösung in eine dunkel gefärbte heiße Lösung umgewandelt wird.
In einer anderen Ausführungsform wird die erhaltene braun gefärbte kolloidale Lösung nach 2 Stunden kontinuierlichem Rühren mit dem Rührer durch mehrmaliges Waschen mit entionisiertem Wasser und Aceton gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen.
In einer anderen Ausführungsform werden die resultierenden Pulverproben zur Synthese von CuO-Ag- und Ag-CuO-Nanopartikeln 4 Stunden lang in einem Heißluftofen bei 120°C getrocknet.
In einer anderen Ausführungsform werden 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) vorzugsweise durch 37.92 g Zinn(II)-chlorid (SnCl₂-2H₂O) zur Synthese von SnO₂-Ag- und Ag-SnO₂-Nanopartikeln ersetzt.
In einer anderen Ausführungsform werden die Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikel durch ein einfaches chemisches Verfahren hergestellt.
Die Kristallstruktur der hergestellten Nanopartikel wurde durch Röntgenbeugungsanalyse mit dem D5000-Diffraktometer von Siemens, USA, mit Cu-Ka-Strahlung (λ=1.5406 Å) bei 40 kV und 30 mA bestätigt. Die Scanrate beträgt 5° pro Minute. Die Oberflächenmorphologie und die Partikelgröße der Nanopartikel werden mittels SEM (JEOL JSM-6380LV) und TEM (JEM 2100 F) Mikroskopie untersucht. Die funktionellen Gruppen der Oberfläche werden mit dem FTIR-Spektrometer gemessen. Die optische Absorption und Emission der Proben wird mit einem UV-Spektralphotometer (SHIMADZU UV-3101PC) bzw. RF-5301PC gemessen. Die PL-Emissionen werden bei einer Anregungswellenlänge von 346 nm aufgezeichnet.
Photokatalytischer Abbau von Textilfarbstoffen:
Der photokatalytische Abbau der synthetisierten reinen CuO-, SnO₂-, Ag-CuO- und Ag-SnO₂-Proben wird unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht mit den Farbstoffen BP und CV untersucht. Das Absorptionsmaximum für BP und CV wird bei 590 bzw. 579 nm beobachtet. In der Regel werden 25 mg der Probe mit 50 ml der jeweiligen Farbstofflösung gemischt. Danach wird die Farbstofflösung drei Stunden lang direktem Sonnenlicht ausgesetzt. Während der Bestrahlung werden in einem vorgegebenen Zeitintervall 5 ml der Farbstofflösung entnommen. Die Änderung der maximalen Absorption wird zur Messung des Abbaus der BP- und CV-Farbstoffmoleküle mit einem UV-Vis-Spektrophotometer verwendet.
Die Effizienz des Abbaus wird anhand der folgenden Formel gemessen $Effizienz des Abbaus = \frac{C_{0} - C}{C_{0}} \times 100 %$
Dabei stehen Co und C für die anfängliche bzw. variable Intensität der Farbstoffmoleküle. Zur Durchführung des Experiments zur katalytischen Stabilität wird der behandelte Katalysator zentrifugiert, mit einer Aceton/H₂O-Lösung gewaschen und nach dem ersten Zyklus bei 100°C getrocknet. Die BP- und CV-Farbstofflösungen werden verwendet, um die Stabilität und Wiederverwendbarkeit des regenerierten Katalysators zu berechnen.
Darüber hinaus wird die kinetische Studie erster Ordnung verwendet, um die genaue Schadstoffentfernungsrate nach dieser Gleichung zu berechnen: $- ln (C / C_{0}) = kt$
Dabei steht k für die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und t für die Zeitdauer. Es wird eine durchschnittliche Lichtintensität von 0.90 × 10⁵ Lux verwendet.
1 zeigt ein Röntgenbeugungsmuster von (a) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikeln und (b) Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Zur Bestimmung der Kristallitstruktur der Ag-CuO-, CuO-Ag-, Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikel wird das Röntgenbeugungsmuster (XRD) verwendet. zeigt die XRD-Muster des so hergestellten Ag-dotierten CuO und Ag-CuO. Das XRD-Muster bestätigt die Bildung der monoklinen Phase der beiden Proben. Die starken Beugungspeaks erschienen bei 35.5°, 38.9°, 48.7°, 58.5°, 61.5°, 66.2°, 67.9° und 75.1°, die den Kristallebenen (0 0 2), (2 0 0), (-2 0 2), (2 0 2), (-1 1 3), (-3 1 1), (1 1 3) bzw. (0 0 4) entsprechen. Alle Beugungspeaks stimmen gut mit der monoklinen Struktur des CuO (JCPDS Nr. 80-1917) überein. Einige zusätzliche Peaks, die bei 38.1°, 44.3°, 64.5° und 77.5° zentriert sind, entsprechen der Ebenenorientierung von (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0) und (3 1 1) des kubischen Ag (JCPDS Nr. 04-0783). Das XRD-Diagramm ( von Ag-SnO₂ zeigt die tetragonale Kristallstruktur von SnO2, die gut mit der Literatur übereinstimmt (JCPDS-Karte Nr. 41-1445). Die beobachteten Beugungsspitzen liegen bei 26.6°, 33.9°, 42.6°, 54.8° und 57.8° und entsprechen den Ebenen (1 1 0), (1 0 1), (2 1 0), (2 2 0) und (0 0 2). Die übrigen Peaks entsprechen der kubischen Struktur von Ag. Die starken Beugungspeaks bei 38.1°, 48.8°, 64.4° und 77.5°, die den Ebenen von (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0) und (3 1 1) entsprechen, bestätigen das Vorhandensein von Ag. Es werden keine charakteristischen Peaks für andere Verunreinigungen beobachtet, was auf die hohe Reinheit der hergestellten Proben hinweist. Die durchschnittliche Kristallitgröße beträgt (unter Verwendung der Debye-Sheerer-Formel) 18.3 und 21.3 nm für Ag-CuO bzw. CuO-Ag. Außerdem beträgt die Kristallitgröße von Ag-SnO₂ und SnO₂-Ag 19.1 bzw. 22.6 nm.
2 zeigt die UV-Vis-Absorptionsspektren der (a-b) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikel und die entsprechenden Bandlückenkurven (cd) Absorptionsspektren von Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikeln und die entsprechenden Bandlückenkurven in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Absorptionsspektren von Ag-CuO und CuO-Ag und die entsprechenden Bandlücken sind in dargestellt. Der Wert der optischen Bandlücke (Eg = 2.32 eV/Ag-CuO) und 3.27 eV/CuO-Ag) der dotierten Nanopartikel wurde aus der Wellenlänge des Absorptionsbeginns bestimmt. Die erhaltenen Werte der Bandlücke sind viel größer als der Bulk-Wert von CuO (1.85 eV). Es zeigt sich deutlich, dass der Absorptionspeak zu einer niedrigeren Wellenlänge (Blauverschiebung) verschoben ist. Es ist anzunehmen, dass die Blauverschiebung auf die Verkleinerung der Schicht zurückzuführen ist. Die Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikel zeigten Absorptionspeaks im sichtbaren Bereich und die entsprechenden Bandlücken sind in dargestellt. Die Bandlücke von Ag-SnO₂ (2.53 eV) war kleiner als die Bandlücke der SnO₂-Ag-Nanopartikel (2.86 eV). Aus den UV-Vis-Absorptionsergebnissen geht eindeutig hervor, dass die Ag-dotierten Nanopartikel (vor der Zugabe von NaOH) wie Ag-CuO und Ag-SnO₂ schmale Bandlücken aufweisen. Die kleinere Bandlücke ermöglicht die Absorption eines größeren Bereichs des sichtbaren Lichts. Die Nanopartikel mit breiter Absorption können als effiziente Photokatalysatoren verwendet werden.
3 zeigt die Photolumineszenzspektren von (a) Ag-CuO- und CuO-Ag-Nanopartikeln und (b) Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikeln in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Photolumineszenz (PL)-Emissionsspektren werden durchgeführt, um den Ladungsträgertransfer und die Rekombination von photoinduzierten Elektron-Loch-Paaren in Photokatalysatorsystemen zu untersuchen. Bei dieser Spektroskopiemethode absorbiert die Probe das einfallende Photon und gibt einen Überschuss an Energie durch einen Photoanregungsprozess ab, bei dem sich die Elektronen im Material in erlaubte angeregte Zustände bewegen. Um die optischen Eigenschaften von Nanopartikeln zu untersuchen, wurden bei Raumtemperatur Photolumineszenzspektren für die synthetisierten Ag-CuO-, CuO-Ag-, Ag-SnO₂- und SnO₂-Ag-Nanopartikel erstellt (siehe 3 (a-b)). Alle Emissionsspektren zeigen eine breite Emission im sichtbaren Bereich aufgrund der vorhandenen Defekte und baumelnden Bindungen. Das starke PL-Signal, das für die Ag-dotierten Nanopartikel beobachtet wurde, zeigt, dass nach der Lichteinstrahlung eine schnelle photoinduzierte Elektron-Loch-Paar-Rekombination stattfindet. (a & b) zeigt die PL-Spektren von Ag-CuO und Ag-SnO₂, angeregt bei einer Wellenlänge von 346 nm. Der auffälligste Emissionspeak liegt bei 610 nm bzw. 550 nm für Ag-CuO und Ag-SnO₂, was mit der Literatur übereinstimmt. Die grüne Emissionsbande bei 550 nm (CuO-Ag) ist auf die einfach ionisierte Sauerstofflücke zurückzuführen, die durch die Rekombination eines durch Licht erzeugten Lochs im Valenzband mit einem einfach ionisierten Elektron entsteht. Die rote Emission von Ag-CuO bei 610 nm zeigt jedoch, dass die Verschiebung auf einen Strahlungsübergang durch den Ag-Dotierstoff zurückzuführen sein könnte. Interessanterweise zeigten die SnO₂-Ag- und Ag-SnO₂-Nanopartikel eine rote Emission aufgrund einer effizienten Ladungstrennung und einer gehemmten Elektron-Loch-Rekombination, die für eine Verbesserung der PL-Emission durch den Ag-Dotierstoff günstig sind. Die PL-Spektren zeigen, dass die Dotierung oder Verankerung von Ag in CuO und SnO₂ die Elektronen-Loch-Rekombination während einer photokatalytischen Reaktion unter sichtbarer Lichtbestrahlung wirksam verhindern kann.
4 zeigt ein FTIR-Spektrum von (a) CuO-Ag-Nanopartikeln und (b) SnO₂-Ag-Nanopartikeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. FTIR-Spektren werden verwendet, um das Vorhandensein chemischer Verbindungen auf der Oberfläche der präparierten Proben zu analysieren. Im FTIR-Spektrum von CuO-Ag erscheinen Absorptionsbanden unterhalb von 1000 cm-¹ aufgrund von interatomaren Metall-Sauerstoff-Schwingungen. Die intensiven Peaks bei etwa 3439 cm-¹ und 1383 cm-¹ sind auf O-H-Streck- bzw. H-O-H-Biegeschwingungen zurückzuführen, die durch das Vorhandensein von atmosphärischen Wassermolekülen auf der Oberfläche verursacht werden. Die Peaks bei etwa 1136 cm-¹, 1431 cm-¹ und 1658 cm-¹ sind charakteristisch für Silber, wie in dargestellt. Das FTIR-Spektrum von SnO₂-Ag ist in dargestellt. Die Absorptionsbande im Bereich 1628 - 3421 cm-1 kann auf die Schwingungen der Bindung des absorbierten molekularen Wassers und die Schwingungen der Hydroxylgruppen zurückgeführt werden. Der Bereich von 400 - 700 cm-¹, insbesondere bei 633 cm-¹, wird den antisymmetrischen Sn-O-Sn- und Sn-O-Schwingungen zugeschrieben, die sich auf der Oberfläche der Oxidbrücke ausbreiten, die durch Schwingungskondensation der benachbarten Oberfläche der Hydroxylgruppe gebildet wird, und schließlich kann die Absorptionsbande im Bereich von 3300-3475 cm-¹ mit den Schwingungen der OH-Hydroxylgruppenbindung des absorbierten molekularen Wassers auf der Oberfläche von SnO₂ in Verbindung gebracht werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind organische Schadstoffe wie CV- und BP-Farbstoffe krebserregend für die Umwelt. Die photokatalytische Untersuchung ist ein neuer Weg zum Abbau der Schadstoffe. Da sowohl Ag-CuO als auch Ag-SnO₂ eine schmale Bandlücke haben, wird der Katalysator für den Farbstoffabbau unter sichtbarem Licht verwendet. Die UV-sichtbaren Spektren des CV-Farbstoffs in Gegenwart von Katalysatoren (reines CuO und Ag-dotiertes CuO) nach 2 Stunden Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Wenn die CV-Farbstofflösung unter Sonnenlicht behandelt wurde, sank die Konzentration der Farbstofflösung mit zunehmender Bestrahlungsdauer, was zu einem Abbau der färbenden Gruppe des CV-Farbstoffs führte. Die reinen CuO- und Ag-dotierten CuO-Nanokatalysatoren bauen die organischen Moleküle in etwa 2 Stunden ab, mit einem Wirkungsgrad von etwa 67 % bzw. 91.5 %. Durch die Erhöhung der Lichtabsorptionsrate, der Bildung von Elektronen-Loch-Paaren und der verzögerten Rekombination verbesserte die Nanokompositstruktur die Abbaueffizienz. Ag-dotierte CuO-Katalysatoren übertreffen reine CuO-Katalysatoren in Bezug auf die Abbaueffizienz. Aufgrund des Unterenergieniveaus des Leitungsbandes wird eine große Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. Die Abbaugeschwindigkeit von reinem CuO und Ag-dotierten CuO-Nanokatalysatoren gegenüber BP-Farbstoff beträgt 0.0200 min-¹ bzw. 0.0437 min-¹. Tabelle 1 zeigt den Vergleich der katalytischen Aktivität von reinem CuO und Ag-dotiertem CuO mit anderen Katalysatoren für den Abbau von CV-Farbstoff.
Darüber hinaus wurde der photokatalytische Farbstoffabbau für reines CuO und Ag-dotiertes CuO mit einem anderen BP-Farbstoffmodellschadstoff durchgeführt. Unter identischen Testbedingungen erreichte die Abbaueffizienz der reinen CuO- und Ag-dotierten CuO-Nanopartikel etwa 84.6 % bzw. 96.2 %. Die zeitlichen Schwankungen der anfänglichen und endgültigen Farbstoffkonzentrationen für die CV-Farbstoffe in Anwesenheit und Abwesenheit des Photokatalysators im Vergleich zur Lichtbestrahlung. Auf der Grundlage des Unterenergieniveaus des Leitungsbandes wird eine große Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. Zusätzlich zu den Messungen der Pseudo-First-Order-Kinetik für das photokatalytische Ergebnis wurden die Abbauraten von reinem CuO und Ag-dotierten CuO-Nanokatalysatoren mit 0.035 min-¹ bzw. 0.0621 min-¹ angegeben. Tabelle 2 zeigt den Vergleich zwischen der photokatalytischen Leistung von Ag-dotiertem CuO und SnO mit anderen Katalysatoren beim Abbau von BP-Farbstoff. Tabelle 3 zeigt die Geschwindigkeitskonstante und die R2-Ergebnisse aus den Experimenten.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist eine Oberflächenmodifikation von CuO und SnO₂ mit einem geeigneten Metallion, das gut sichtbares Licht einfangen und adsorbieren kann, erforderlich, um die Leistung im sichtbaren oder nahen IR-Lichtbereich zu verbessern. Im Allgemeinen hängt die photokatalytische Aktivität eines Katalysators stark von der Fähigkeit ab, Licht einzufangen, und von der Übertragung/Generierung von Elektronen-Loch-Paaren (e^--h⁺) für die Photokatalyse. Silber (Ag) ist eine gute Option für die Oberflächenmodifikation von CuO und SnO₂, da ersteres ein ausreichendes Potenzial zur Verbesserung der Lichteinfangfähigkeit eines Katalysators besitzt. Ein weiterer Vorteil von Silber ist seine geringe Toxizität bei der Wasseraufbereitung. Über Nanokomposite auf Ag-Basis wird zum Beispiel häufig berichtet, CuO/Ag-Mikrokugeln haben ebenfalls die gewünschten optischen Eigenschaften für verschiedene Abbauprozesse gezeigt. Ag-dotierte SnO₂-Nanopartikel zeigen eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivität. Die photokatalytische Verbesserung wird damit beschrieben, dass das Ag eine sehr große Oberfläche hat, die die Koordination vieler Liganden ermöglicht, was die Trennung von Elektronenhohlräumen, die chemische Stabilität und die Effizienz von Photokatalysatoren erhöht. So, Ag-CuO und Ag-SnO₂-Nanopartikel zeigt eine signifikante Verbesserung der photokatalytischen Leistung als reine CuO und SnO₂, kann es längere Ladungsträger Lebenszeiten für die Ag-dotierten Nanopartikel als die reine Verbindung, die Erreichung einer wirksamen Foto getragen Trennung und deuten darauf hin, dass ein synergistischer Effekt der Ag mit CuO und SnO₂ führte zur Verbesserung der photokatalytischen Leistung. Andererseits verbessert der synergistische Effekt von Ag-Zusatz und Morphologie-Regulierung die Effizienz des photokatalytischen Abbaus.
Scavenger-Untersuchungen zeigen, dass nur p-BQ und Methanol signifikante Unterschiede in der Wirksamkeit der beiden Farbstoffe aufweisen. Demzufolge spielen Superoxidradikale und Hydroxylradikale eine wichtige Rolle für die Gesamteffizienz der Farbstoffe. Ein weiteres wichtiges Forschungsthema ist die Stabilität und Wiederverwendbarkeit von photokatalytischen Ag-dotierten CuO-Nanopartikeln.
Der folgende Mechanismus beschreibt den Abbau von BP- und CV-Farbstoffen mit Hilfe von Ag-dotierten CuO-Nanopartikeln:

(i) Bildung eines Elektronen-Loch-Paares Ag-doped CuO + hv → h⁺ (VB) + e^- (CB) (3)
(ii) Bildung von Hydroxylradikalen OH^- + h⁺ → OH· (4) H₂O + h⁺ → OH· + H⁺ (5)
(iii) Bildung von Superoxidradikalen O₂ + e^- → O₂·^- (6)
(iv) Photoabbau von BP- und CV-Farbstoff Dye + OH· + O₂·^- → Abbauprodukte (7)

Um die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren weiter zu untersuchen, wurden experimentelle Zyklusstudien für BP- und CV-Farbstoffe fünfmal ausgewertet. Die Erneuerung von pulverförmigen Katalysatoren ist häufig eine Herausforderung, aber heterogene und dotierte Katalysatoren überwinden den Verlust durch Regeneration. Der Katalysator wird wiederholt verwendet und anschließend zentrifugiert, mit Wasser gewaschen, mit Ethanol behandelt und an der Luft getrocknet. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Stabilität des Katalysators und zeigen, dass die Abbaueffizienz nicht wesentlich abnimmt und selbst nach fünf Zyklen des photokatalytischen Prozesses noch 90 % erreicht, wobei die Effizienz nach fünf Zyklen aufgrund von Katalysatorverlusten beim Waschen abnehmen kann. Dies zeigt deutlich, dass die Ag-dotierten CuO-Nanokatalysatoren in der Praxis hervorragend eingesetzt werden können.
Da dieses Ag-dotierte CuO die höchste Abbaueffizienz aufwies, wird es ausschließlich für die Scavenger-Forschung verwendet, um die Abbauaktivität besser zu verstehen. Im Allgemeinen produziert der photoaktive Katalysator reaktive Sauerstoffspezies (h⁺, OH^- und -O²-), und es ist von entscheidender Bedeutung zu bestimmen, welche reaktive Spezies während des Photoabbaus eine wichtige Rolle spielt. Dies ist auch hilfreich, um den Prozess der Photodegradation von Ag-dotiertem CuO zu bestimmen. Infolgedessen werden h⁺, OH^- und •O^2- durch die Anreicherung von zugehörigen Fängern in der Reaktionslösung entfernt, wie EDTA (h⁺-Fänger), Methanol (•OH-Fänger) und 1,4-Benzochinon (p-BQ) (•O²-Fänger).
In einer weiteren Ausführungsform wird festgestellt, dass die gut kristallinen Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikel durch ein einfaches chemisches Verfahren hergestellt wurden. Um die photokatalytische Aktivität der Ag-dotierten Nanopartikel in Abhängigkeit von der Einschlusszeit des Dotierstoffs zu untersuchen, werden die Proben dem Abbau von CV- und BP-Farbstoffen bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht unterzogen. Die photokatalytischen Eigenschaften von reinem CuO, SnO₂ und CuO-Ag, SnO₂-Ag, Ag-CuO und Ag-SnO₂ werden für den Abbau von BP- und CV-Farbstoffen mit sichtbarem Licht untersucht. Die strukturellen und photokatalytischen Studien zeigen deutlich, dass Ag-CuO und Ag-SnO₂ eine gute kristalline Struktur und eine hohe Abbaueffizienz aufweisen. Die erhöhte photokatalytische Aktivität von Ag-CuO und Ag-SnO₂ wird auf die Unterdrückung der Elektron-Loch-Rekombination zurückgeführt. Der mögliche Mechanismus des photochemischen Abbaus der beiden Farbstoffe wurde ausführlich erörtert. Der Stabilitätstest bestätigt, dass die verbesserte photokatalytische Leistung von Ag-dotierten CuO-Nanopartikeln im Vergleich zu anderen Metalloxiden erhalten bleibt. Die Analyse des Einflusses von Ladung und Radikalfängern auf die photokatalytische Leistung zeigt, dass der Abbau von BP und CV hauptsächlich durch OH- und O₂•^- Radikale verursacht wird.
5 illustriert Tabelle 1 zeigt den Vergleich der katalytischen Aktivität von Ag-dotiertem CuO und SnO mit anderen Katalysatoren beim Abbau des Farbstoffs Bromphenolblau. 6 illustriert Tabelle 2 zeigt den Vergleich zwischen den photokatalytischen Leistungen von Ag-dotiertem CuO und SnO und anderen Katalysatoren beim Abbau des Farbstoffs Kristallviolett. 7 illustriert Tabelle 3 zeigt Studien zur photokatalytischen Aktivität von Ag-dotiertem CuO und Ag-dotiertem SnO₂-Nanokatalysatoren.
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 diejenigen 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 Vorzüge 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.

Claims

Zusammensetzung zur Synthese von Ag-dotierten CuO- und SnO2-Nanopartikeln, wobei die Zusammensetzung umfasst: ein Pulverextrakt aus Kupfer(II)-acetat, 3-6 g in 100 ml entionisiertem Wasser; ein Pulverextrakt aus Zinn(II)-chlorid, von 30-50 g in 100 ml entionisiertem Wasser; ein Pulverextrakt aus Polyvinylpyrrolidon, von 0.5-2 Gramm; ein Pulverextrakt aus Silbernitrat, 0.25-1 Gramm in 50 ml entionisiertem Wasser; eine Palette Natriumhydroxid, 60-100 Gramm; und ein wässriger Auszug aus Aceton.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei vorzugsweise 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) und 1 g Polyvinylpyrrolidon mit 100 mL entionisiertem Wasser unter Rühren bei 100 °C unter Verwendung eines Rührers vermischt werden, wobei vorzugsweise 0.36 g Silbernitrat (Ag(NO₃)) in 50 mL entionisiertem Wasser zugegeben werden, um eine heiße Lösung herzustellen.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Lösung mindestens 10 Minuten ruhen gelassen wird, wodurch vorzugsweise 80 g NaOH-Pellets direkt in die heiße Lösung gegeben werden, um eine blau gefärbte Lösung herzustellen, wobei die blau gefärbte Lösung in eine dunkel gefärbte heiße Lösung umgewandelt wird.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei nach 2 Stunden kontinuierlichen Rührens unter Verwendung des Rührers die erhaltene braun gefärbte kolloidale Lösung durch mehrmaliges Waschen mit deionisiertem Wasser und Aceton gereinigt wird, um Verunreinigungen zu entfernen.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die resultierenden Pulverproben zur Synthese von CuO-Ag- und Ag-CuO-Nanopartikeln in einem Heißluftofen bei 120 °C 4 h lang getrocknet werden.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei 3.2 g Kupfer(II)-acetat (Cu(CO₂CH₃)₂) vorzugsweise durch 37.92 g Zinn(II)-chlorid (SnCl₂.2H₂O) zur Synthese von SnO₂-Ag- und Ag-SnO₂-Nanopartikeln ersetzt wird.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Ag-dotierten CuO- und SnO₂-Nanopartikel durch ein einfaches chemisches Verfahren hergestellt werden.