RESEARCH OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF BiFe1-xMnxO3 NANOPARTICLES IN DECOMPOSITION OF METHYLENE BLUE

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОКАТАЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ BiFe_1-xMn_xO₃ В РАЗЛОЖЕНИИ МЕТИЛЕНОВОГО СИНЕГО

Научная статья

Лыу Тхи Ньян *

Ханойский индустриальный университет, Ханой, Вьетнам

* Корреспондирующий автор (luunhan20686[at]gmail.com)

Аннотация

Объектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFe_1-xMn_xO₃, синтезированые золь-гель методом. Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени. Исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Mn уменьшило ширину запрещенной зоны (от 2,11 эВ до 1,94 эВ). Это увеличит фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практическим. Полученые результаты показывают, что наночастицы BiFe_1-xMn_xO₃ в этой работе дает  способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Ключевые слова: феррит висмута, мультиферроик, спектр поглощения, фотокаталитическая активность, метиленоый синий.

RESEARCH OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF BiFe_1-xMn_xO₃ NANOPARTICLES IN DECOMPOSITION OF METHYLENE BLUE

Research Article

Luu Thi Nhan*

Hanoi Industrial University, Hanoi, Vietnam

* Corresponding author (luunhan20686[at]gmail.com)

Abstract

The nanosized multiferroic powders BiFe_1-xMn_xO₃, synthesized by the sol-gel method, are the studied objects. The samples are calcined at appropriate temperatures and within a given period. A study of the absorption spectra in the UV-visible area of the fabricated samples showed that doping with Mn reduces the bandgap (from 2.11 eV to 1.94 eV). This will increase the photocatalytic activity of the BFO material system, which will make the application more practical. The results obtained show that BiFe_1-xMn_xO₃ nanoparticles in this work provide the possibility to decompose methylene blue. When doping Mn in BFO, the decomposition efficiency increases. However, this efficiency is not high.

Keywords: bismuth ferrite, multiferroic, absorption spectrum, photocatalytic activity, methylene blue.

Введение

В настоящее время фотокаталитические материалы с возможностью обработки окружающей среды представляют собой большой интерес исследователей. Ранее основным исследованным фотокаталитическим материалом был TiO₂ с такими преимуществами, как недорогой, менее токсичный, высокая фотохимическая стойкость и т. д. Однако этот материал имеет недостатки - это фотокаталитическая активность TiO₂ низка в области видимого света из-за большой ширины запрещенной зоны (~ 3,2 эВ) и ее трудно восстановить для повторного использования. Поэтому, исследование приготовления новых фотокаталитических материалов с энергией запрещенной зоны менее 3 эВ представляет собой большое внимание ученым. Одним из таких материалов является феррит висмута – BiFeO₃ (BFO).

Феррит висмута BFO, является одним из наиболее известных сегнетомагнетиков – материалов, одновременно сочетающих магнитные и сегнетоэлектрические свойства [1], [2]. Эти материалы перспективны для новой области квантовой электроники – спиновой электроники, основанной на транспорте спин-поляризованных электронов, сенсорной техники, магнитной памяти [3], [6]. С другой стороны, наночастицы BFO также показывают хорошую фотокаталитическую активность в области видимого света из-за узкой ширины запрещенной зоны (2,1-2,7эВ) [7]. Такие материалы могут использоваться в качестве новых фотокаталитических материалов, реагирующих на видимый свет, для разложения органических загрязнителей или для образования H₂ из воды [8].

В последние годы исследовательское направление очень заинтересовано в легировании редкоземельных элементов или 3d-групп в нанообразцах BFO для улучшения электромагнитных свойств, улучшения фотокаталитической способности, легкого восстановления и повторного использования. Однако, оптические свойства сегнетомагнитных материалов на основе BiFeO₃ слабо исследованы как экспериментально, так и теоретически. В представленной работе описывают результаты исследования фотокаталической активности наночастиц BiFe_1-xMn_xO₃ в разложении метиленового синего (MB).

Образцы и методика измерений

Обектами исследования выступили наноразмерные мультиферроические порошки BiFe_1-xMn_xO₃, синтезированые золь-гель методом с использованием нитрата висмута Bi(NO₃)₃.5H₂O (чистота ≥ 99%), нитрата железа Fe(NO₃)₃.9H₂O (чистота ≥ 98,5%), моногидрат лимонной кислоты C₆H₈O₇.H₂O (чистота ≥ 99, 5%), раствора нитрата марганца Mn(NO₃)₂ 50% и NH₃ (NH₄OH). Образцы кальцинировали при соответствующих температурах и в заданный период времени.

В спектре излучения солнечного света энергия ультрафиолетового излучения составляет всего около 8%, а энергия излучения видимого света составляет 48% от общей энергии. Поэтому изучение использования энергии света видимой области в фотокаталитическом процессе очень необходимо, поскольку возможно использовать источник солнечного света для процесса реакции. В этой работе по оценке фотокаталитической способности полученных образцов мы использовали источник света, подобный солнечному свету.

Раствор метиленового синего (MB) и образцы подают в реакционную камеру, освещают видимым светом и перемешивают реакционную систему магнитной мешалкой во время испытания. После реакции определяли концентрацию MB, и рассчитывается эффективность разложения метиленового синего образцов.

Чтобы определить концентрацию MB в растворе после разложения, мы строим калибровочную кривую метиленового синего в диапазоне концентраций 0 мг/л - 10 мг/л.

Смесь после фотокаталитической обработки отфильтровывает раствор. Фотометрические измерения определяют спектры поглощения раствора MB после использования катализатора. Из калибровочной кривой рассчитывают оставшуюся концентрацию MB после фотокаталитического разложения.

Эффективность разложения MB образцов рассчитывается следующим образом:

    (1)

где:

H: Эффективность разложения MB образцов (%)

C_o: Концентрация MB до реакции (мг/л)

C_f: Концентрация MB после реакции (мг/л)

Экспериментальные результаты и обсуждений

Порошки BiFe_1-xMn_xO₃ с соотношением х = 0%, 5% и 7,5% успешно получили. Результаты исследования влияния концентрации Mn на фазоформирование, размеры и оптические свойства наночастиц BiFe_1-xMn_xO₃ показаны в [9]. Так же в [9] мы определяли ширины запрещенной области полученных образцов. Результаты показанны на таблице 1.

 

Таблица 1 – Ширина запрещенной зоны наночастиц BiFe_1-xMn_xO₃

Образец	Энергия (эВ)
BiFeO3	2,11
BiFe0,95Mn0,05O3.	1,97
BiFe0,925Mn0,075O3	1,94

 

И так, исследование спектров поглощения в УФ-видимой области изготовленных образцов было показано, что легирование Mn уменьшило ширину запрещенной зоны [9]. Это увеличивает фотокаталитическую активность системы материалов BFO, что сделает применение более практичным.

В этой работе мы выбрали только образцы BiFeO₃, BiFe_0,95Mn_0,05O₃ для исследовании фотокаталической активности полученных образцов в разложении метиленового синего, потому что, в [9] было показано, что микроскопическая структура исследуемого образца BiFe_0,925Mn_0,075O₃  является неоднородной по форме и размеру.

Образцы BiFeO₃, BiFe_0,95Mn_0,05O₃  и раствор MB с начальной концентрацией C₀ были добавлены в фотокаталитическую систему для проведения реакции.  Полученные смеси освещались видимым источником света в течение 2 часов. Результаты исследования способности разлагать раствор MB образцов с течением времени показаны на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Спектры поглощения нанопорошка Bi_1-xMn_xFeO₃ при освещении видимым светом в течение 2ч.

Видно, что эффективность разложения метиленового синего BiFeO₃ и BiFe_0,95Mn_0,05O₃  при освещении видимым светом: не сильно отличается.

При увеличении времени  освещения видимым светом до 24 часов и 48 часов  эфективность разложения MB материала BiFeO₃ и  BiFe_0,95Mn_0,05O₃ увеличивает.  Полученые результаты показаны на рисунке 2, рисунке 3.

 

Рис. 2 – Спектры поглощения нанопорошка Bi_1-xMn_xFeO₃ при освещении видимым светом в течение 24ч.

Рис. 3 – Спектры поглощения нанопорошка Bi_1-xMn_xFeO₃ при освещении видимым светом в течение 48ч.

 

На рис. 4. показана зависимость эффективности от времени разложения MB образцов BiFeO₃  и BiFe_0,95Mn_0,05O₃ при освещении видимым источником света.

Рис. 4 – Зависимость эффективности от времени разложения MB образцов BiFeO₃  и BiFe_0,95Mn_0,05O₃ при освещении видимым источником света

 

Видно, что полученые образцы показывают  способность разложения метиленового синего. При легировании Mn эффективность разложения метиленового синего увеличивается. Однако, эффективность в этой работе намного меншье чем результат исследования других исследователей [10], [11]. Чтобы повысить эффективность разложения, необходимо продолжить изучение большего количества факторов, влияющих на фотокаталитическую активность материала: морфология частиц, размер частиц, условия синтеза образца, рН, .... Мы продолжим изучение по этому вопросу в ближайшее время.

Заключение

Таким образом, полученые результаты показывают, что наночастицы BiFe_1-xMn_xO₃ в этой работе дает  способность разложения метиленового синего. При легировании Mn в BFO эффективность разложения увеличивается. Однако, эффективность не высокая.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Смоленский Г.А. Успехи физических наук / Г.А Смоленский, И.Е. Чупис. – 1982. – Т. 137. – № 3. – С. 415 –
2. Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.К. Звездин, А.П. Пятаков. – 2012. – Т. 182. – № 6. – С. 593-620.
3. Eerenstein Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. – 2006. – Vol. 442. – P.759 – 765.
4. Ramesh R. Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Mater / Ramesh, N.A. Spaldin.. – 2007. – Vol. 6. – P. 21.
5. Catalan G. Physics and Applications of Bismuth Ferrite // Mater / G. Catalan, J.F. Scott.. – 2009. – Vol. 21. – P. 2463.
6. Пятаков А.П. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН / А.П. Пятаков, А.К. Звездин. – 2012. – Т. – С. 593.
7. Gao T. Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its applications in visible-light induced photocatalyses // Rev. Mater. Sci / T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin, Y.Huang. – 2015. – Vol. 40. – P. 97-109.
8. Deng J. Bismuth iron oxide nanoparticles as photocatalyst for solar hydrogen generation from water// J. Fundam. Renew. Energy Appl / J. Deng, S. Banerjee, S.K. Mohapatra, R. Smith, M. Misra. – 2011. – Vol. 1. – P. 1.
9. Luu Thi Nhan Study of Mn concentration effect on phase- formation, dimensions and optical properties of BiFeMnO nanoparticles / Luu Thi Nhan et al // International Research Journal. 2019. – Vol. 16. – P. 128–131. – URL: https://research-journal.org/en/physicsandmath/issledovanie-vliyaniya-koncentracii-mn-na-fazoformirovanie-razmery-i-opticheskie-svojstva-nanochastic-bife1-xmnxo3/ (accessed 20.06.2020)
10. Nguyễn Thị Hà Chi. “Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu BiFeO₃ kích thước nanomet” / Nguyễn Thị Hà Chi // Luận văn thạc sĩ khoa học, Khoa hóa học, ĐH. Khoa học Tự Nhiên ĐHQGHN, Hà Nội, 2015.
11. Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. Visible Light Photocatalytic Activity of BiFeO₃ Nanoparticles for Degradation of Methylene Blue / Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. // Journal of Physical Science, 2017, 28(2), P. 85–103.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Smolensky G.A. Uspekhi fizicheskikh nauk [Successes of physical sciences] / G.A. Smolensky, I.E. Chupis – 1982. – 137. – No. 3. – P. 415 - 448. [in Russian]
2. Zvezdin A.K. Magnitojelektricheskie materialy i mul'tiferroiki [Magnetoelectric materials and multiferroics] UFN [UFN] / A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin. – 2012. – V. 182. – No. 6. – P. 593-620. [in Russian]
3. Eerenstein Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. – 2006. – V. 442. – P.759 – 765.
4. Ramesh R. Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Mater / Ramesh, N.A. Spaldin.. – 2007. – V. 6. – P. 21.
5. Catalan G. Physics and Applications of Bismuth Ferrite // Mater / G. Catalan, J.F. Scott.. – 2009. – V. 21. – P. 2463.
6. Pyatakov A.P. Magnitojelektricheskie materialy i mul'tiferroiki [Magnetoelectric materials and multiferroics] UFN [UFN] / A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin. – 2012. – V. 182. – P. 593. [in Russian]
7. Gao T. Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its applications in visible-light induced photocatalyses // Rev. Mater. Sci / T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin, Y.Huang. – 2015. – V. 40. – P. 97-109.
8. Deng J. Bismuth iron oxide nanoparticles as photocatalyst for solar hydrogen generation from water// J. Fundam. Renew. Energy Appl / J. Deng, S. Banerjee, S.K. Mohapatra, R. Smith, M. Misra. – 2011. – V. 1. – P. 1.
9. Luu Thi Nhan Study of Mn concentration effect on phase- formation, dimensions and optical properties of BiFeMnO nanoparticles / Luu Thi Nhan et al // International Research Journal. 2019. – T. 16. – P. 128–131. – URL: https://research-journal.org/en/physicsandmath/issledovanie-vliyaniya-koncentracii-mn-na-fazoformirovanie-razmery-i-opticheskie-svojstva-nanochastic-bife1-xmnxo3/ (accessed 20.06.2020)
10. Nguyễn Thị Hà Chi. Sintez i issledovanie fotokataliticheskih svojstv materialov BiFeO₃ nanometr [Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu BiFeO₃ kích thước nanomet] / Nguyễn Thị Hà Chi // Luận văn thạc sĩ khoa học, Khoa hóa học, ĐH. Khoa học Tự Nhiên ĐHQGHN, Hà Nội, 2015. [in Chinese]
11. Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. Visible Light Photocatalytic Activity of BiFeO₃ Nanoparticles for Degradation of Methylene Blue / Hajar Atiqah Mohd Azmy et al. // Journal of Physical Science, 2017, 28(2), P. 85–103.