Фотокаталитические свойства порошков BiFeO3, синтезированных смесью ЦТАБ и глицина

Aug 27, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12338 (2023) Цитировать эту статью

247 Доступов

Подробности о метриках

Порошки BiFeO3 высокой чистоты (BFO) были приготовлены методом синтеза горения в растворе с использованием бромида цетилтриметиламмония (ЦТАБ) и глицина в качестве топлива при различных соотношениях горючего к окислителю (φ). Микроструктурные характеристики, морфологию, оптические свойства и термический анализ изучали методами рентгеновской дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии (SEM), спектроскопии диффузного отражения (DRS) и дифференциальной термической/термогравиметрии (DTA/TGA) соответственно. Сгоревшие порошки, приготовленные при разном содержании топлива, содержали небольшое количество примесных фаз типа Bi24Fe2O39 и Bi2Fe4O9. При прокаливании порошков БФО при температуре 600 °С в течение 1 ч образовалась практически чистая фаза БФО. Сгоревшие порошки фотодеградировали около 80% красителя метиленового синего при φ = 2 за 90 мин облучения видимым светом.

Однофазный BiFeO3 (BFO) представляет собой мультиферроик с искаженной ромбоэдрической и перовскитной структурой, обладающий пространственной группой R3c. Благодаря своим сегнетоэлектрическим характеристикам при высоких температурах Кюри до 830 °C и антиферромагнитному поведению при температуре Нееля 370 °C этот материал рассматривается для устройств энергонезависимой памяти, фотогальваники, датчиков и спинтроники1,2,3,4. Также известно, что эти многочисленные и интересные соединения со структурой перовскита обладают улучшенной композиционной и структурной перестройкой5,6. Из-за узкой запрещенной зоны в диапазоне 2,2–2,8 эВ и высокой химической стабильности BFO считается фотокатализатором видимого света для разложения органических загрязнителей7. Многие фотокатализаторы, такие как TiO2, ZnO, CdS, ZnS и т. д., использовались для фотодеградации красителей под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения8,9,10,11,12,13. Однако УФ-излучение охватывает лишь небольшую часть (~ 4%) спектра солнечного света; таким образом, было предпринято много усилий для разработки катализаторов видимого света, охватывающих более широкий диапазон14,15,16,17,18,19.

Такие примесные фазы, как Bi2O3, Bi2Fe4O9 и Bi24Fe2O39, появляются при синтезе BFO вследствие кинетики их фазообразования. Поэтому многие исследователи разработали различные пути синтеза для удаления этих вторичных фаз. Для синтеза чистого BFO использовались гидротермальные методы20,21, гидротермальный метод с использованием полимера22, золь-гель23, соосаждение24,25,26, аэрозольное распыление, электропрядение27, сольвотермический путь28 и сжигание в растворе29.

Большой интерес представляет разработка простых, экологически безопасных и энергоэффективных методов синтеза чистого порошка БФО. Синтез горения раствора (СКС) — это простой, относительно дешевый и быстрый химический процесс производства различных наноматериалов30. Между смесью нитратов металлов и различными органическими топливами (например, глицином, лимонной кислотой, мочевиной и др.) происходит самораспространяющаяся экзотермическая реакция, выделяющая огромное количество газообразных продуктов29.

Среди различных органических топлив глицин является аминокислотой, которая способствует образованию комплекса ионов металлов в растворе благодаря наличию карбоновой кислоты и аминогрупп на противоположных концах молекулы31. Аналогичным образом, бромид цетилтриметиламмония (ЦТАБ) представляет собой катионное поверхностно-активное вещество с высокой температурой разложения, которое широко используется для контроля формы, размера и микроструктуры частиц путем минимизации поверхностного натяжения предшественника32. BFO был синтезирован из глицинового топлива путем микроволнового сжигания раствора с некоторыми примесными фазами, такими как Bi2Fe4O9 и Bi24Fe2O3933. В наших предыдущих работах БФО был синтезирован с использованием различных одиночных и смешанных топлив при постоянном соотношении топливо/окислитель, равном 1, но в данной работе различные соотношения топливо/окислитель (φ) варьировались от 0,5 до 232,33,34.

Тем не менее, сочетание различных видов топлива может быть более эффективным, чем использование отдельных видов топлива, за счет улучшения контроля над температурой реакции, типом и количеством выделяющихся газообразных продуктов. Поэтому в данной работе глицин и ЦТАБ смешивали в различных количествах топлива к окислителю в унимолярном соотношении для синтеза практически чистого и однофазного БФО.