NH4V4O10의 광촉매 성능과 rGO와의 복합체에 대한 새로운 조명

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3946(2023) 이 기사 인용

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태양광 기반 광촉매는 오염 물질 분해를 위해 청정 태양 에너지를 활용하는 지속 가능한 폐수 처리 기술로서 큰 잠재력을 보여주었습니다. 결과적으로, 새롭고 효율적이며 저렴한 광촉매 물질의 개발에 많은 관심이 집중되고 있습니다. 본 연구에서는 NH4V4O10(NVO)의 광촉매 활성과 rGO(NVO/rGO)와의 복합체를 보고합니다. 샘플은 간편한 원포트 열수 방법을 통해 합성되었으며 XRD, FTIR, Raman, XPS, XAS, TG-MS, SEM, TEM, N2 흡착, PL 및 UV-vis DRS를 사용하여 성공적으로 특성화되었습니다. 결과는 획득된 NVO 및 NVO/rGO 광촉매가 가시광선 파장 영역에서 효율적인 흡수, V4+ 표면종의 높은 함량 및 잘 발달된 표면적을 나타냄을 나타냅니다. 이러한 특징은 시뮬레이션된 태양광 조명 하에서 메틸렌 블루 광분해에서 탁월한 성능을 발휘했습니다. 또한 NH4V4O10과 rGO의 복합체는 염료의 광산화를 촉진하고 광촉매 재사용에 유리합니다. 또한, NVO/rGO 복합재는 유기 오염 물질의 광산화뿐만 아니라 Cr(VI)과 같은 무기 오염 물질의 광환원에도 성공적으로 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 마지막으로 활성종 포획 실험을 수행하고 광분해 메커니즘을 논의하였다.

인구 증가와 급속한 도시화는 수계 환경에 부정적인 영향을 미칩니다. 매일 산업, 농업, 가정에서는 강, 호수, 바다를 오염시킬 수 있는 엄청난 양의 폐수를 생성합니다. 주요 관심사 중 하나는 일반적으로 독성이 있고 생분해되지 않는 염료나 항생제와 같은 유기 오염입니다1. 물 시스템의 염료 농도가 낮더라도 광합성에 필요한 햇빛을 차단하므로 수생 생물에 매우 위험할 수 있습니다2,3. 또 다른 위험한 오염 물질 그룹은 중금속 이온으로, 이는 수생 환경에 잘 녹고 생분해되지 않으므로 직접적으로 또는 먹이 사슬을 통해 살아있는 유기체에 축적되는 경향이 있습니다4. 많은 중금속의 독성 효과는 논쟁의 여지가 없으며 많은 경우 이러한 금속의 미량 노출은 인간의 건강과 생태계에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다5. 예를 들어 Cr(VI)은 발암성이 매우 높습니다. 미국 환경 보호국(EPA)은 이를 유해 물질 우선 순위 목록에서 상위 20위 안에 올렸으며6, WHO가 권장하는 식수 내 Cr(VI) 안전 한계는 0.1ppm7입니다. 불행하게도 페인트, 종이, 방부제 제조 또는 금속 표면 처리(전기 도금)에서 발생하는 산업 폐수는 여전히 Cr(VI)의 주요 공급원으로 분류될 수 있습니다. 따라서 폐수에서 위에서 언급한 오염 물질을 제거하고 환경을 보호하는 것이 매우 중요합니다. 흡착, 여과, 응고, 광촉매 분해 등 폐수를 처리하는 다양한 방법이 제안되었습니다8. 특히 후자는 오염물질을 제거할 뿐만 아니라 분해까지 유도한다는 점에서 매우 유망하다. 따라서 오염물질이 한 단계에서 다른 단계로 이동하는 다른 대중적인 방법과 비교할 때 광촉매는 2차 오염이 없기 때문에 승리합니다. 더욱이, 이 과정은 일반적으로 빠르며, 종종 천연 광원을 사용하고 주변 조건에서 수행될 수 있습니다. 위의 장점으로 인해 새로운 광촉매 재료를 검색하고 개발하는 것은 중요한 지속적인 연구 주제9,10입니다. 다양한 물질 중에서 금속산화물이 수질오염물질의 광분해에 대해 광범위하게 연구되어 왔다11,12. 바나듐 기반 산화물은 효율적인 가시광선 수확 능력(좁은 밴드 갭, Eg̴2eV로 인해), 높은 화학적 안정성 및 상당한 촉매 활성으로 인해 특히 유망합니다. 많은 금속 바나듐산염이 유망한 태양광 구동 광촉매로 제안되었습니다. 예로는 이 분야에서 가장 잘 알려진 촉매인 Cu3V2O815, Ag3VO4/AgVO316, InVO417 또는 BiVO418이 있습니다. 최근 우리는 가시광선 구동 광촉매 합성을 위한 유망한 대안으로 단순한 칼륨염(포타슘 포름산염)을 사용하는 것을 제안했습니다. 획득된 바나드산 칼륨(KV3O8, K2V6O16·nH2O)은 탁월한 광촉매 활성을 나타내어 처음 30분 이내에 메틸렌 블루(MB)가 90% 이상 분해되었습니다19.