新規キナゾリンによる TiO2 ミクロスフェアの光増感

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12929 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

水質汚染は、地球と人間の健康に深刻な影響を与える世界的な脅威の 1 つです。有機繊維染料は、従来の物理的方法では劣化しやすい一般的な有機水汚染物質の 1 つです。半導体支援光触媒は、環境に優しく、効率的で持続可能な廃水処理技術と考えられています。太陽放射の効率的な利用を最大化するには、ワイドバンドギャップ半導体の効率的な色素増感剤として使用され、その性能を可視光領域まで拡張する新規有機分子を探索することが極めて重要です。したがって、この研究では、拡張されたπ-π/n-π共役により拡張された可視光吸収率を持つ色素光増感剤としてのQAD分子の新しい構造の設計と合成を提案し、TiO2ナノ粒子の性能を促進します。可視光領域での電荷分離を強化します。物理化学的特性評価により、提案された構造を持つ QAD、TiO2、および QAD/TiO2 サンプルの合成が成功したことが確認されました。 TiO2 の表面に QAD 分子を固定することにより、TiO2 の光学特性が大幅に改善されるとともに、そのバンドギャップエネルギーが 2.6 eV に減少し、PL 強度が顕著に減少することで e-h 再結合が減少し、電荷分離を強化し、400 ～ 600 nm の範囲で効率的な可視光収集アンテナを作成します。さらに、QAD/TiO2 サンプルは、裸の TiO2 と比較して、ローダミン B 色素の光分解の観察速度定数において 3 倍の向上を達成しました。光分解プロセスに影響を与えるパラメーターが最適化され、サンプルは連続 4 サイクル後に優れた安定性を示しました。最後に、スカベンジャーの効果が調査され、\({\mathrm{O}}_{2}^{\cdot -}\) が最も反応性の高い種であることが提案され、強化のメカニズムが以下に基づいて示唆されました。 QAD の HOMO 準位から TiO2 の CB への電子注入。最後に、この研究は、さまざまな光触媒/生物医学用途における提案された構造または類似の構造の研究のためのさまざまな研究への扉を開きます。

可視光駆動の半導体ベースの光触媒は、永遠に利用可能な太陽エネルギーを重要な目的に利用できる貴重な化学エネルギーに変換することにより、入射太陽照射を効果的に収集して利用して化学プロセスを触媒するための最も成功したグリーン戦略の 1 つとなっています。廃水処理、水素製造、アンモニア製造、太陽電池、二酸化炭素削減など1、2、3、4、5、6。さまざまな光触媒の中でも、TiO2 ナノ粒子は、入手しやすさ、低コスト、無毒性、優れた光触媒活性、および長い耐久性により、最も頻繁に使用される半導体と考えられます 7、8、9、10、11、12。それにもかかわらず、比較的広いバンドギャップエネルギー (アナターゼの場合 3.20 eV) と速い e-h 再結合速度により、裸の TiO2 光触媒の産業応用が妨げられています。これは、手頃な価格で堅牢で効果的かつ革新的な可視光活性光触媒を見つけるという重要なニーズに焦点を当てました5、13、14。過去 20 年間、ワイドバンドギャップ光触媒 (TiO2 や ZnO など) の光吸収を可視光域まで拡張し、金属/非金属ドーピングを含むさまざまなアプローチで電荷分離を改善することで、その光触媒挙動を強化する多くの試みが行われてきました。 /共ドーピング4,7、半導体カップリング15,16,17、炭素材料とのカップリング8,18、色素増感19,20,21。

植物の光合成プロセスのシミュレーションとして、色素増感は、TiO2 ナノ粒子の光学特性および光触媒特性を改善するための最も有望なアプローチの 1 つであることがわかっています 19,20,21,22,23,24,25,26。ポルフィリンベースの TiO2 ナノ粒子に関するこれまでの研究 19,20 では、テトラ(4-カルボキシフェニル)ポルフィリン (TCPP) の固定により、TiO2 光触媒の光学特性全体と光触媒性能が大幅に向上することに気づきました (1)。 e-h 再結合率の減少、(2) 寿命の向上、(3) バンドギャップエネルギーの約 2.6 eV への減少に加えて、(4) 可視光線での不活性を克服するための優れた可視光収集アンテナの確立(5) ローダミン B (RB) 光分解に対する TCPP/TiO2 光触媒の光触媒活性を 2 倍にします。光増感剤としての TCPP の優れた幅広い吸収能力とは別に、アルカリ媒体 (pH > 10) 中では不安定になるという欠点があります 19。同様に、M. Sedghi22 ら。 TiO2/Alを強化し、その応答を可視領域にシフトさせるTCPPの効果を調査しました。ただし、達成された RB 除去率は 29.19% にすぎませんでした。 E. Valadez-Renteria ら 24 は、RB 色素を効率的に分解する TiO2:W 複合材料に対する効率的な光増感剤として緑色クロロフィルを使用しましたが、3 サイクル後に活性の約 20% の低下が観察されました。 Zyoud et al.23 は、太陽光模擬光下でフェナゾピリジンを効率的に光分解するためのアントシアニン増感 TiO2 ナノ粒子を合成し、高い分解率 (> 90%) を達成しました。ただし、光増感剤が失われているため、2 回目の使用後は分解率が約 55% に減少しました。

5 and positive at pH < 5, which is in good accordance with the reported PZC range of TiO2 in the literature43. Then, the effect of pH has been investigated in the range of pH 2–12 under UV-A irradiation, as shown in Fig. S11, while other factors remained constant; the observed rate constants (kobs) and the corresponding correlation factors (R2) are recorded in Table 2. It is clearly observed that the rate of RB photodegradation was reduced by increasing the pH above 4 in the range of 6–12; this can be attributed to the repulsion between the negatively deprotonated COO- group (pKa = 3.7) and negative QAD/TiO2 catalyst (pHPZC = 5) at this pH range. Besides, another valid reason for this decrease in the photodegradation rates is the fact of the formation of RB zwitterions and their aggregation19,44. The formation of these zwitterions can be attributed to the attractive electrostatic interaction between the negatively charged carboxyl groups (–COO−) and the positively charged amino groups (–N+) in the RB monomers, and consequently forming a dimer structure with a larger molecular form which hinders its interaction with the active sites of QAD/TiO2 photocatalyst19,44. On the other hand, at pH 2, both RB and QAD/TiO2 are positively charged; thus, there would be an electrostatic repulsion between them, which reduces the photodegradation rates at very low pH values. However, the optimum pH value was pH 4, where there will be an attraction between the positively charged QAD/TiO2 surface and the negatively charged RB molecules, which facilitates the approach of the RB molecules toward the active sites of photodegradation on the as-synthesized QAD/TiO2 sample. Finally, it is important to state that there are no peaks corresponding to the QAD molecules have been observed in the UV–Visible spectra even at higher pH values indicating the stability of the QAD molecules under harsh conditions19. Hence, the following photodegradation experiments will be operated at the optimized pH value of 4./p>