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Jun 29, 2023

지르코늄 산화물 볼에 의해 자극된 SbSI/Sb2S3 나노복합체에 의한 메틸렌 블루의 압전 분해에 대한 동역학 및 열역학적 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15242(2022) 이 기사 인용 1348 액세스 5 인용 3 Altmetric Metrics 세부 정보 구동용 압전 재료를 통한 기계적 에너지 수확

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15242(2022) 이 기사 인용

1348 액세스

5 인용

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

촉매 반응을 유도하기 위한 압전 재료를 이용한 기계적 에너지 수확은 환경 개선을 위해 광범위한 관심을 받았습니다. 본 연구에서는 SbSI/Sb2S3 나노복합체가 촉매로 합성되었습니다. ZrO2 볼은 처음으로 압전촉매를 자극하기 위해 초음파에 대한 대체 기계적 힘으로 사용되었습니다. 메틸렌 블루(MB)의 압전 분해의 동역학과 열역학이 깊이 연구되었습니다. 기계적 힘의 종류, ZrO2 볼의 수, 반응 온도가 분해 효율에 미치는 영향을 연구했습니다. 여기서 기계적 에너지는 ZrO2 볼과 촉매 입자의 충돌로 인해 발생합니다. 초음파 진동 대신 ZrO2 볼을 사용하면 30 ± 5 °C에서 열화 효율이 47% 향상되었습니다. 동역학 연구에서는 SbSI/Sb2S3 촉매에 의한 메틸렌 블루(MB)의 압전 분해가 유사 2차 동역학을 따른다는 사실이 밝혀졌습니다. 열역학적 결과에 따르면 MB의 압전 분해는 발열 반응이었습니다.

대체 깨끗하고 지속 가능한 에너지원을 개발하는 것은 환경 오염 및 에너지 위기를 완화하는 데 집중적인 연구 관심을 불러일으키고 있습니다. 태양에너지나 기계적 에너지를 모아서 변환할 수 있는 재료는 새로운 형태의 청정에너지1,2,3,4,5,6,7,8로서 최근 몇 년간 광범위하게 연구되어 왔습니다. 피에조 재료는 기계적 에너지를 수확하여 전기 또는 화학적 에너지로 변환할 수 있는 흥미로운 종류의 재료로 간주됩니다9,10,11,12. 이 시나리오에서 압전 재료가 기계적 힘에 의해 변형이 가해지면 압전 전위는 재료 내에서 비어 있거나 점유된 상태의 전자 에너지 수준을 이동시킵니다. 즉, 피에조 물질의 전도대(CB)를 피에조 물질 분자의 HOMO(최고 점유 분자 궤도) 아래로 낮추는 것입니다. 따라서 전자는 분자의 HOMO에서 압전 재료의 CB로 이동할 수 있습니다. 과거에는 피에조 재료가 주로 센서, 변환기 및 전자 산업으로 사용되었습니다. 최근에는 압전촉매라고 불리는 새로운 응용 분야가 발견되었습니다. 지금까지 항균 및 물 분해는 압전촉매를 통해 이루어졌습니다. 최근에는 인간에게 가장 심각한 환경 문제 중 하나인 수질 오염 물질을 분해하기 위한 처리제로 압전촉매가 적용되었습니다. 왜냐하면 이러한 오염 물질 중 일부는 용해도가 높고 화학적으로 안정하기 때문입니다. 이러한 목적을 위해 1D 및 2D wurtzite ZnO 및 BaTiO321,22와 같은 다양한 유형의 재료가 개발되었습니다. 예를 들어, 2019년 Qian et al. 티탄산 바륨(BaTiO3, BTO)-폴리디메틸실록산 복합체를 사용하여 로다민 B(RhB) 염료의 ~94%가 분해되는 것으로 보고되었습니다. 2020년 후반에 Raju et al. RhB 및 메틸렌 블루(MB)를 처리하기 위해 폴리비닐리덴 불화물/ZnSnO3 나노큐브/Co3O4 복합재를 적용했습니다24. Xu와 그의 동료는 Bi0.5Na0.5TiO3@TiO2 Composite25를 사용하여 RhB의 97% 이상을 분해했습니다.

환경 개선을 위해 압전촉매를 사용하는 것은 광촉매, 흡착제 및 펜톤 공정과 같은 다른 방법에 비해 장점이 있습니다. 예를 들어, 광촉매 작용은 빛 아래에서만 작동합니다. 게다가, 캐리어 전하의 재결합을 피하기 위해서는 넓은 밴드갭 반도체가 필요합니다. 넓은 밴드갭 촉매를 사용하려면 고에너지 광자가 필요하며 재료는 일반적으로 더 비쌉니다29,30,31,32,33,34.

최근 몇몇 기사에서는 압전 재료에 의한 오염물질 분해 메커니즘을 발표했습니다. 예를 들어, 우리는 애시드 레드 143과 애시드 바이올렛을 물에서 처리하기 위해 PbTiO3 나노구조를 적용했습니다. 우리는 라디칼 제거제를 사용하여 가능한 메커니즘을 연구하고 자유 라디칼이 유기 오염 물질의 분해를 담당한다고 제안했습니다35. 2021년 후반에 Lin et al. 유기 오염물질을 처리하기 위한 압전 촉매로서 BaTiO3 나노큐브의 사용을 보고하고 동일한 메커니즘을 제안했습니다. 여러 그룹이 그 뒤에 있는 가능한 메커니즘을 연구하려고 시도했지만 압전 재료에 의한 유기 오염 물질 분해의 역학은 거의 연구되지 않았습니다. 예를 들어, Lei 등은 2차원 흑연질탄소를 사용하여 디클로로페놀의 압전촉매 분해 뒤에 있는 동역학을 연구했습니다. 그들은 디클로로페놀의 분해가 유사 1차 동역학이라고 보고했습니다. 그러나 오염 물질의 압촉매 분해 동역학에 대한 열역학, 온도 영향 및 가해지는 힘의 양은 아직 논의되지 않았습니다. 이전 보고서 외에도 기계적 힘의 원천으로 초음파 작동을 사용한 반면, 기계적 힘을 제공하기 위해 지르코니아 볼을 사용했습니다. 여기에서는 초음파화학과 열수법을 통해 압전촉매를 준비했습니다. 그런 다음 293K, 303K, 313K의 다양한 온도와 다양한 기계적 힘에서 관련 동역학을 연구했습니다. 마지막으로 우리는 열화 뒤에 숨은 열역학을 연구했습니다.