Nouvelles

Aug 04, 2023

Propriétés physico-chimiques intrigantes et impact du co

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7595 (2023) Citer cet article

512 accès

8 Altmétrique

Détails des métriques

L'oxyde de graphène superparamagnétique dopé N (GO) avec des nanofils de ZnS a été synthétisé par une méthode hydrothermique en une étape en dopant des quantités diluées d'ions Ga, Cr, In et Al pour le traitement de l'eau et les applications biomédicales. Dans ces expériences, pour améliorer leurs propriétés, 2 % de Ga3+, In3+ et/ou Al3+ ont été codopés avec 2 % d'ions Cr dans ces nanofils de ZnS. Le nanocomposite de composition In0.02Cr0.02Zn0.96S a une meilleure efficacité photocatalytique que les autres nanocomposites co-dopés. L'In (métalloïdes) et le Cr (ion de métal de transition) sont les meilleures combinaisons pour augmenter les propriétés magnétiques bénéfiques pour l'activité photocatalytique. Les matériaux nanocomposites synthétisés ont été caractérisés par plusieurs techniques telles que la diffraction des rayons X, le microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM) avec EDAX, le magnétomètre à échantillon vibrant (VSM), l'UV-Vis, la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la spectroscopie de fluorescence. La corrélation des propriétés magnétiques intrigantes avec leurs propriétés photocatalytiques est également discutée. XPS a été utilisé pour la détection des défauts de surface, la transformation de phase et la nature des composants chimiques présents dans les nanocomposites. Les défauts de Frankel et de substitution ont un impact direct sur l'activité photocatalytique qui a été déterminée à partir de la spectroscopie de fluorescence (FL). FL et XPS révèlent que le composite codopé Cr et In a un pourcentage de défauts plus élevé, son efficacité photocatalytique atteint donc 94,21 %.

Au cours de la dernière décennie, l'oxyde de graphène (GO)1,2,3,4,5 et le co-dopage des métaux 3D ou des métaux de terres rares, des non-métaux et des métalloïdes ont reçu une attention considérable en raison de leur rôle clé dans l'amélioration des propriétés physiques applicables dans des industries telles que la résistance à la traction, la mobilité, la conductivité, la bande interdite, la flexibilité, la stabilité thermique et chimique, le module de Young, la transparence optique, l'électroconductivité élevée, souhaitable pour la production, etc.6,7. Le sulfure de zinc (ZnS) est un photocatalyseur semi-conducteur II-VI et il a été largement étudié car il apparaît dans plusieurs morphologies à l'échelle nanométrique, présente d'excellentes propriétés physiques et possède également des propriétés photocatalytiques uniques. Cependant, il existe peu de rapports disponibles dans la littérature sur la co-substitution avec des ions Cr3+ dans ZnS8,9. Le Cr (VI) est un métal lourd et également hautement toxique, tandis que le Cr (III) est non toxique et utile pour les êtres humains. Par conséquent, en plus de cela, des nanofeuilles d'oxyde de graphène ont été utilisées pour régler la bande interdite de ZnS pur de la région UV à la région visible afin d'utiliser plus d'énergie solaire10. Le TiO2 est le matériau nanostructuré le plus couramment utilisé11. Cependant, dans les applications environnementales, le ZnS pur a une plus grande efficacité théorique dans la génération de photoporteurs que le TiO212. En outre, les nanocristaux de semi-conducteurs co-substitués ont une meilleure capacité à conférer de nouvelles applications technologiques et sont bénéfiques pour diverses propriétés par rapport au matériau nanocristallin pur. Il a été explicitement corroboré que la co-substitution est un outil plus efficace que le dopage simple métal/non métal/métalloïdes dans des nanocristaux hôtes qui sont utilisés pour améliorer les propriétés du photocatalyseur13. En principe, la morphologie, les défauts structurels et les défauts de surface des sulfures métalliques et des nanocomposites de sulfure métallique de graphène jouent un rôle essentiel dans le contrôle des propriétés de transport, de la stabilité chimique et thermique et des mouvements excitoniques. Suvanka Dutta et al.14 et Gajendiran et al.15 ont rapporté que les propriétés de la morphologie mixte des échantillons préparés sont plus importantes que leur homogénéité et les échantillons monocristallins.

D'après les données présentées dans le tableau 1S (EIS), il est évident que le ZnS co-dopé a de meilleurs résultats que les nanomatériaux ZnS dopés à un seul métal. La présente étude se concentre sur les effets du co-dopage de 2% d'ions Ga3+/In3+/Al3+ avec 2% d'ions Cr3+ sur les nanofils de ZnS ornés de GO et leurs propriétés photocatalytiques. Après le co-dopage des métaloïdes dans le réseau ZnS, davantage de défauts se sont formés, ce qui a entraîné une plus grande efficacité de dégradation du colorant photocatalytique. L'impact direct des défauts sur l'efficacité de l'activité photocatalytique est discuté en détail.

Dans ce travail, nous avons utilisé des nanofeuilles GO pour l'application de l'activité photocatalytique. La procédure de synthèse a été suivie selon la publication précédente16 sans autre processus de recuit. GO a été préparé avec succès à partir de pierre de charbon. Thioura a été ajouté à la solution susmentionnée dans un rapport 1: 2 après dissolution de la poudre GO dans de l'eau DI. Un traitement aux ultrasons de 30 minutes a été administré à la solution. L'échantillon a été placé dans un autoclave en acier inoxydable et scellé après avoir été soniqué. Pendant 3 h, un autoclave scellé a été maintenu dans un four à 90 °C. L'autoclave a été refroidi à température ambiante, la solution a été filtrée, elle a été lavée plusieurs fois dans de l'eau DI et elle a été séchée à température ambiante. Ensuite, le produit final était du GO dopé N qui a été séché à 60 °C17,18,19.

Des nanofils de ZnS ornés d'oxyde de graphène ont co-substitué 2% d'ions Ga3+/In3+/Al3+ et 2% Cr3+ préparés par la technique hydrothermale. Solutions homogènes de composés de sel de Zn, Cr, Ga, In et Al, avec S2− comme anion précipitant formé par la décomposition de la thiourée. Des nanofils GZ (GO:ZnS) ont été préparés en utilisant 1 M d'acétate de zinc dihydraté, 3 M de thiourée et 0,2 g d'oxyde de graphène ont été dissous séparément dans 15 ml d'eau DI et 15 ml d'éthylènediamine (1: 1) dans chaque bécher. La solution d'acétate de zinc dihydraté a été placée sur l'agitateur magnétique pour une agitation constante jusqu'à une solution limpide à 100 %. La même procédure a été appliquée à chaque solution. Une fois la solution homogène formée, la première thiourée a été ajoutée à la solution d'acétate de zinc et agitée pendant 20 min, puis la solution d'oxyde de graphène a été ajoutée à la solution ci-dessus. La solution a été constamment agitée pendant 2 h en maintenant un pH de 10 en ajoutant goutte à goutte de l'ammoniac. La solution homogène a été transférée dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de Téflon et scellée soigneusement. L'autoclave scellé a été maintenu à 190 ° C dans un four à moufle pendant 12 h. Le système a été refroidi à température ambiante et le précipité formé a été filtré et lavé plusieurs fois avec de l'eau DI et de l'éthanol. Le précipité lavé a été séché à température ambiante avant d'être calciné pendant une nuit à 60°C. L'acétate de zinc dihydraté 0,96 M, 0,02 M de chlorure de gallium/chlorure d'indium et le chlorure d'aluminium 0,02 M de chlorure de chrome et la thiourée 3 M ont été utilisés pour la préparation de nanocomposites. La procédure susmentionnée a été suivie pour les nanofils de ZnS décorés d'oxyde de graphène remplacés par 2 % de Ga3+/In3+/Al3+ avec 2 % de Cr3+. Les nanofils de ZnS ornés d'oxyde de graphène (GO) sont nommés GZ, 4% Cr dopé GZ comme GZ:Cr, et co-substitués 2% Ga3+/In3+/Al3+ et 2% Cr3+ ions dans GZ comme GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In et GZ:Cr-Al respectivement.

Aucun animal n'a été utilisé ou blessé dans la recherche ou l'expérimentation de ce manuscrit.

Les paramètres cristallographiques tels que les paramètres de réseau, la taille des cristallites, le volume, la densité de dislocation, les microdéformations, les défauts d'empilement, le paramètre "u", la longueur de la liaison et le rapport c/a ont été obtenus à l'aide de la technique XRD et sont représentés dans le tableau 1. La structure cristalline de Wurtzite des nanocomposites d'échantillons préparés a été vérifiée par la technique XRD qui est représentée sur la figure 1 et bien adaptée à JCPDS 36-1450. Les pics des nanocomposites GZ sont situés à 26° (100), 28° (002), 30° (101), 39° (102), 47° (110), 51° (103) et 56° (200), et le pic d'oxyde de graphène est remarqué pour GZ:Cr-Ga et GZ:Cr à 10°, mais surtout, le pic GO n'est pas observé dans d'autres nanocomposites. tes en raison de la faible cristallinité ou de la faible intensité de diffraction de GO. L'observation que le pic d'oxyde de graphène (GO) est absent dans les spectres XRD des nanocomposites GZ, GZ:Cr-In et GZ:Cr-Al peut être due au fait que l'oxyde de graphène est une forme oxydée de graphène et qu'il contient des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène à sa surface. Ces groupes fonctionnels peuvent être réduits pour former du graphène, qui ne possède pas ces groupes. Au cours du processus de synthèse des nanocomposites GZ, GZ:Cr-In et GZ:Cr-Al, la réduction de GO en graphène s'est produite, entraînant l'absence du pic GO dans les spectres XRD20. Une raison possible de l'absence du pic GO dans ces échantillons pourrait être la présence d'autres composés dans les nanocomposites qui pourraient masquer le pic GO dans les spectres XRD. Par exemple, dans GZ, la structure cristalline du ZnS pourrait être dominante et la présence de graphène pourrait être difficile à détecter. Ceci est étayé par le fait que le pic GO a été observé dans les spectres XRD des nanocomposites GZ:Cr et GZ:Cr-Ga, où les dopants n'étaient peut-être pas suffisants pour masquer le pic GO. Dans l'ensemble, l'absence ou la présence du pic GO dans les spectres XRD des nanocomposites pourrait être due à la réduction de GO, ou à l'effet de masquage d'autres composés provoqué par l'incorporation d'éléments dopants21,22. La cristallinité diminue après la co-substitution des ions métalloïdes dans le réseau ZnS. Cet effet suggère que la co-substitution des ions métalloïdes dans le réseau ZnS a réussi. Alors que la densité de dislocation, les microdéformations et les défauts d'empilement sont opposés dans l'ordre, ce qui signifie que la taille des cristallites a augmenté avec la diminution de la densité de dislocation, des microdéformations et des défauts d'empilement.

Tracés XRD de (a) GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In et GZ:Cr-Al Nanowires, et (b) vue agrandie entre l'angle 27,5° et 29,5°.

Les paramètres de réseau a et c pour les nanofils de wurtzite ZnS ont été calculés à l'aide de la formule suivante23,24.

Il existe une différence significative dans la structure cristalline après la co-substitution des métalloïdes dans les sites du réseau ZnS. La formule de Debye Scherrer a été utilisée pour calculer la taille moyenne des cristallites. De plus, lorsqu'un élément étranger avec un rayon ionique différent est substitué dans le réseau ZnS, un changement est confirmé dans la taille des cristallites25.

La taille du volume d'exposition peut aider à garantir qu'un nombre statistiquement significatif de grains est inclus dans le diagramme de diffraction. Ceci indique que l'intensité du pic de diffraction intégré est proportionnelle au volume du matériau. Le volume des échantillons tels que préparés a été évalué à l'aide de la formule suivante26.

Des défauts d'empilement peuvent apparaître dans un cristal à la suite d'une déformation plastique ou d'une solidification. Une structure cristalline de wurtzite idéale peut être considérée comme faisant partie d'une série de plans d'empilement, et des défauts d'empilement sont trouvés dans les échantillons si l'ordre de la séquence des plans d'empilement n'est pas suivi avec précision. Des décalages de pic et un élargissement du pic sont observés en raison de la présence de défauts d'empilement, de modifications du paramètre de réseau et de contraintes résiduelles. En microdéformation, le facteur à considérer est la diminution générale des caractéristiques du réseau lorsque le plus gros ion est partiellement remplacé par le plus petit. Il provoque une modification de la structure interne, de la forme et du volume à l'échelle microscopique du réseau cristallin. La méthode d'hypothèse des dopants de co-intégration dans le réseau ZnS, qui est enveloppé par de fines nanofeuilles d'oxyde de graphène, en tant que source de défauts étendus provoqués par l'inadéquation du réseau (dislocations inadaptées), comme illustré à la Fig. 2. Le nombre de dislocations par unité de volume d'un matériau cristallin est mesuré par la densité de dislocations. À partir des équations suivantes, les caractéristiques des cristallites de tous les échantillons, la densité de dislocation, les microdéformations et les défauts d'empilement existants ont été analysés16.

Le schéma montrant la dislocation dans des échantillons préparés sous contrainte et déformation.

À partir de la formule suivante, le paramètre 'u' du ZnS structuré wurtzite a été calculé

La longueur de la liaison est proportionnelle à l'ordre des liaisons : une liaison plus forte sera plus courte si un grand nombre d'électrons ont participé à sa création. La longueur de la liaison est inversement proportionnelle à la force de la liaison et à l'énergie de dissociation de la liaison : une liaison plus forte sera plus petite si tous les autres paramètres sont égaux. La longueur de la liaison (L) a été examinée à l'aide de la formule suivante27.

La spectroscopie de réflectance UV-Vis détermine les propriétés optiques telles que la bande interdite des échantillons de semi-conducteurs préparés. Les spectres de réflectance ont été enregistrés dans la plage de 200 nm à 750 nm et ils reflètent les bandes dans la région visible qui sont représentées sur la figure 3. Il a été explicitement corroboré que les échantillons tels que synthétisés absorbent la lumière solaire maximale en réduisant la bande interdite dans la région visible. Les échantillons préparés ont été conçus sous une forme qui convient le mieux pour réduire la bande interdite en co-substituant différents métalloïdes et en ajoutant de l'oxyde de graphène dans le réseau ZnS. Les échantillons de ZnS générés ont montré une absorption électronique dans la région UV de la lumière, selon Fariba Soleimani et al.28, mais les échantillons de ZnS dans cette étude ont été modifiés de telle manière qu'ils affichent une absorption optique dans la région visible de la lumière. La bande interdite observée est de 1,72, 1,99, 1,77, 2,01, 1,69 et 1,60 eV pour GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In, GZ:Cr-Al et GO, respectivement.

Spectres de réflectance UV-Vis avec encarts montrant les tracés de bande interdite de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In, (e) GZ:Cr-Al, (f) GO.

La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) a été utilisée pour intervenir sur la morphologie des échantillons préparés. Alors que les morphologies mixtes offrent plus d'avantages que les structures monocristallines, les travaux actuels se concentrent sur les nanofils de ZnS co-substitués ornés de GO pour la modification de surface afin d'améliorer les activités photocatalytiques. Les nanocomposites de ZnS ont une morphologie de nanofil sous diverses formes, tandis que GO a une morphologie de nanofeuille qui est illustrée à la Fig. 4. Han Zhang et al. Dans les échantillons de GZ et GZ:Cr, la forêt de nanofils a pris la forme d'une morphologie sphérique. Cependant, dans GZ:Cr-Ga et GZ:Cr-In, il y avait des nanofils monocristallins tandis que GZ:Cr-Al montre une morphologie de structure cristalline diaphane.

Images FESEM de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In, (e) GZ:Cr-Al, (f) GO échantillons.

Les compositions chimiques des échantillons tels que synthétisés ont été déterminées par la technique EDAX qui vérifie un pourcentage exact d'un élément dans l'échantillon. Il a été corroboré que l'existence de carbone et d'oxygène dans les échantillons en raison de l'ajout de GO au réseau ZnS. Les métaux substitués ont des concentrations plus faibles, c'est-à-dire 2% de chaque métal, mais après la réaction, en raison de la solubilité, sa concentration diminue, par conséquent, le pourcentage atomique de certains éléments s'avère être de 0,00%. EDAX montre le pourcentage atomique élémentaire qui est égal ou supérieur à 2% du poids atomique. Le pourcentage atomique élémentaire des échantillons de nanocomposites respectifs a été représenté sur la figure 5.

Spectres EDAX des échantillons (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In, (e) GZ:Cr-Al et (f) GO.

Au cours des deux dernières décennies, il y a eu un énorme intérêt pour l'activité photocatalytique, mais aucun développement de ce type dans le domaine de la dégradation réaliste des colorants par un seul photocatalyseur sous irradiation solaire. De nombreux chercheurs se sont concentrés sur la photodégradation d'un colorant, son efficacité et les mécanismes de réaction. Cependant, il n'existe pas d'études visant à optimiser plusieurs paramètres physiques et chimiques pour dégrader plusieurs colorants mixtes par un seul photocatalyseur. Par conséquent, nous avons développé un seul photocatalyseur capable de dégrader de nombreux colorants colorés. Des colorants colorés distincts ont été fabriqués sur la base de la théorie des couleurs. La théorie des couleurs suggère que l'on peut former différentes couleurs, principalement le bleu, le jaune et le rouge. Les colorants bleu de méthylène (bleu), para nitrophénol (jaune), méthyl orange (orange), triophéléne (rouge) et rouge Congo (rouge) sont utilisés pour la photodégradation.

La bande interdite, la morphologie, la taille des particules, les imperfections de surface, la cristallinité, la surface, la stabilité thermique et chimique sont autant de paramètres qui influencent les performances photocatalytiques. Il pourrait être amélioré en optimisant la bande interdite, les défauts de surface et la morphologie pour la recombinaison photogénérée des paires électron-trou, en abaissant la longueur d'onde d'excitation et en augmentant le nombre d'espèces réactives adsorbées en surface. Le développement d'une bande interdite réduite pour l'absorption de la lumière visible, ainsi que la modification de surface pour la recombinaison de paires électron-trou photogénérées, ont été étudiés pour améliorer l'efficacité photocatalytique. Les colorants azoïques bleu de méthylène (MB), para-nitro phénol (PNP), méthyl orange (MO), congo rad (CR) et triphénylène (TP) ont été choisis comme dégradation du colorant mixte pour étudier l'activité photocatalytique des échantillons de nanocomposites préparés.

Nous avons synthétisé cinq échantillons nanocomposites pour intervenir dans l'activité photocatalytique du colorant mixte. L'efficacité photocatalytique est calculée par la formule (9) suivante :

tandis que les valeurs de C0 (concentration de colorant à 100 %) étaient initiales (à t = 0) et C100 (concentration restante de colorant après dégradation) qui était la finale (à t = 120 min). Les nanocomposites de GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In, GZ:Cr-Al et GO ont des efficacités photocatalytiques de 91,32, 87,96, 93,06, 94,21, 92,44 et 83,81% pour le cycle I respectivement illustrés à la Fig. 6. efficacité que les autres nanocomposites. Ces rendements calculés ont prouvé que la co-substitution est une meilleure option que la simple photocatalyse par semi-conducteur. Après avoir terminé les cinq cycles, il y avait une réduction de l'efficacité photocatalytique mais la stabilité chimique après cinq cycles était bonne. En plus de l'efficacité, il y avait un autre paramètre qui est très important dans la photocatalyse et c'est-à-dire la constante de vitesse qui a été calculée par la formule suivante (10) :

L'efficacité photocatalytique (%) obtenue pour 5 cycles de tous les nanocomposites.

Ici C0 au temps t = 0 min et Ct au temps = 120 min, respectivement, et k est la constante de vitesse de pseudo-premier ordre. La constante de vitesse (k) a été vérifiée à partir de la pente de \(\mathrm{log}\frac{{C}_{0}}{{C}_{t}}\) en fonction du temps d'irradiation, comme illustré à la Fig. échantillons pour la dégradation des colorants mixtes qui est représenté sur la figure 1S (ESI).

Graphiques de (a) temps (min) en fonction de Log C0/Ct et (b) temps (min) en fonction de C/C0 pour les échantillons.

Pour comprendre le mécanisme de l'activité photocatalytique dans ces nanocomposites, XPS a été utilisé pour extraire des informations sur les défauts de surface, la transformation de phase et la nature des composants chimiques présents dans les nanocomposites. Pour la détermination des défauts de surface, la spectroscopie de photoluminescence est généralement utilisée, mais un rapport actuel a calculé les défauts de surface à partir de la technique XPS en raison de la présence de GO à la surface des nanofils de ZnS. Les défauts de surface totaux en pourcentage ont été calculés à partir du carbone non conjugué et du pic de vacance31 qui a été représenté sur la Fig. 8. Le tableau 3 précise que la zone (%) sous la courbe respective et à partir de ces données, les défauts de surface ont été analysés. Le premier pic d'ajustement gaussien représente les lacunes présentes dans les échantillons préparés tandis que le deuxième pic d'ajustement gaussien désigne le groupe fonctionnel C = C sp2. Le troisième pic gaussien est sous les C 1 et représente le carbone non conjugué qui a également participé à l'étude des défauts de surface. Les quatrième, cinquième et sixième pics gaussiens représentent respectivement les groupes fonctionnels C–OH, C–O–C et C=O. D'après le tableau 2S (ESI), le % d'éléments présents dans les échantillons de nanocomposites préparés révèle que les nanocomposites GZ:Cr-In ont des éléments de soufre, d'azote et d'oxygène, le % en poids était plus élevé que les autres nanocomposites, par conséquent l'activité photocatalytique des nanocomposites GZ:Cr-In était plus élevée que les autres échantillons. Plus de lacunes d'oxygène ont amélioré l'activité photocatalytique alors qu'un GO dopé à % N élevé a également de meilleures propriétés photocatalytiques et physiques que le GO vierge. La co-substitution de 2 % Ga3+/In3+/Al3+ avec 2 % d'ions Cr3+ dans le réseau ZnS a été vérifiée avec succès à partir des spectres XPS des métaux co-substitués. Les spectres de balayage complet sont représentés sur la figure 2S (ESI) et tous les métaux étaient présents sous forme d'échantillons nanocomposites synthétisés qui sont représentés sur la figure 3S (ESI).

Pics ajustés gaussiens des spectres C 1 s de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In et (e) GZ:Cr-Al.

La spectroscopie de fluorescence révèle les défauts intrinsèques, de vacance, de substitution et de Frankel qui jouent un rôle vital dans l'amélioration des propriétés et de l'activité photocatalytique des échantillons préparés illustrés à la Fig. 9. La corrélation entre XPS, les caractéristiques structurelles (XRD) et la spectroscopie de fluorescence expliquent pourquoi les échantillons synthétisés ont une efficacité photocatalytique élevée. En raison de la présence de défauts de substitution et de Frankel (une combinaison de défauts interstitiels et de lacunes), le GZ:Cr-In a l'efficacité photocatalytique la plus élevée. L'échantillon de GZ: Cr-In a plus de défauts dans les données car Cr, Ga et Al ont des rayons ioniques inférieurs à l'élément hôte Zn, tandis que In a un rayon ionique plus grand que Zn. À partir des spectres de fluorescence représentés sur la figure 10, il a été observé que le pic d'émission de la bande forte s'est produit à 380 nm, tandis que le pic de la bande d'état des défauts a été observé à 450 nm (émission bleu-violet) et 550 nm (émission vert-jaune) signifie qu'un décalage s'est produit dans les échantillons préparés. En raison de ce changement, la nature magnétique du GO et du GZ est passée d'un comportement diamagnétique à un comportement superparamagnétique. Le pic d'émission rouge s'est produit à 760 nm où la plus grande intensité pour GZ: Cr-In était due à son rayon ionique plus élevé et à la formation d'une grande quantité de défauts de substitution et de lacunes dans son site de réseau. En raison de l'intensité plus élevée du défaut et du pic d'émission de bande, davantage de défauts étaient présents dans l'échantillon GZ : Cr-In. A partir des spectres XPS, les défauts ont été élaborés qui correspondent bien aux données de fluorescence et XRD car dans GZ: Cr et GZ: Cr-Ga, les échantillons présentent des défauts dus au carbone non conjugué. D'après XRD, ces deux échantillons ont le pic supplémentaire de GO, par conséquent, les défauts de carbone non conjugué se sont formés plus quantitativement ici. Le soufre interstitiel est principalement responsable de la forte émission dans la bande proche. La lacune de soufre et les défauts de réseau interstitiel produits par des éléments à faible rayon ionique comme Cr, Ga et Al dans les nanocristaux de ZnS, qui sont essentiels à l'activité photocatalytique, peuvent être responsables de l'émission bleu-violet. L'émission vert-jaune est causée par des centres de défauts auto-activés liés aux lacunes de Zn et à un plus grand rayon ionique de In.

Le défaut de Frankel et le défaut de substitution se sont produits en raison de Cr/Ga/Al et In dans le réseau de ZnS.

( a ) spectres de fluorescence des échantillons préparés, ( b ) tracé de zoom dans la plage de 725 à 790 nm.

La granulométrie et les morphologies des nanocomposites produits ont un impact sur l'activité photocatalytique. La surface des particules plus petites est plus élevée, et c'est l'un des paramètres qui peuvent influencer l'efficacité de la photodégradation. Des nanosphères tridimensionnelles ont été développées pour une efficacité photocatalytique dans un document de recherche antérieur, et l'efficacité s'est avérée être de 84%. Nous avons d'abord essayé d'interpréter les nanofils unidimensionnels pour améliorer l'efficacité photocatalytique. Des nanofils ont été développés à la surface des sphères et la morphologie mixte a surpassé la morphologie pure en termes d'efficacité de photodégradation. Les nanofils ont été ornés par GO avec un diamètre plus petit et une plus grande longueur pour améliorer la porosité et la surface. Étant donné que les longueurs et les diamètres des nanofils étaient divers pour des échantillons de nanocomposites distincts, une saturation de l'efficacité s'est donc produite. Le GO a été trouvé à la surface des nanofils, donc une amélioration a été observée dans les sites actifs des échantillons nanocomposites.

Les chercheurs étudient deux méthodes pour améliorer l'efficacité photocatalytique. Dans la première méthode, ils créent un catalyseur amélioré avec des performances photocatalytiques exceptionnelles afin que les taux de consommation de photons puissent augmenter. Dans la deuxième méthode, on peut modifier les circonstances de réaction pour augmenter l'efficacité photocatalytique. Par exemple, en fournissant un champ électrique, on peut modifier radicalement le mécanisme de transport des porteurs photoinduits, améliorant ainsi l'efficacité photocatalytique32. Pour des performances photocatalytiques exceptionnelles, nous avons choisi la première technique avec certaines modifications, à savoir la co-substitution superparamagnétique à base de GO dopé N de métalloïdes dans des nanofils de ZnS pour des taux de consommation de photons plus élevés. Ce travail sera la base d'une future connexion entre ces approches et méthodes pour améliorer l'activité photocatalytique. Le comportement superparamagnétique est dû à l'énergie thermique provoquant un basculement rapide du moment magnétique total dans les nanoparticules à domaine unique. Une étude suggère que les échantillons de nanocomposites ont été activés en tant que nanocomposites superparamagnétiques lorsqu'ils ont été exposés à la lumière du soleil pendant la photocatalyse.

Cela est dû à l'anisotropie du GO dopé au N, qui augmente le rapport surface/volume et profite à l'activité photocatalytique. L'amélioration de l'efficacité photocatalytique a été réalisée en co-substituant trois métalloïdes avec Cr dans un réseau ZnS. L'effet du co-dopage de Sn et Ni sur quelques propriétés physiques des nanoparticules et des films minces de ZnS a été étudié par Chaitanya Kumar et al.33, qui ont découvert que la bande interdite et l'aimantation étaient réduites après le co-dopage. Neetu Bansal et al. ont observé que la bande interdite était améliorée après co-dopage de Mn2+ et Cu2+ dans le réseau ZnS34. Kavi Rasua et al. ont étudié l'effet du co-dopage Pd2+ et Mn2+ dans le réseau ZnS qui a réduit la bande interdite après co-coping35. Mais ces rapports sont sur le réseau ZnS cubique et ils n'ont pas fonctionné pour l'activité photocatalytique. Mais les travaux actuels contribuent à l'effet de la co-substitution de métaux distincts dans le réseau ZnS pour des applications photocatalytiques. Dans les paramètres structuraux, un déplacement a été observé en raison du rayon ionique diversifié de métalloïdes distincts. Nous avons obtenu des résultats très intéressants sur la co-substitution dans le réseau de ZnS pour les propriétés magnétiques, optiques, chimiques, morphologiques et thermiques également.

L'efficacité photocatalytique a été améliorée après la co-substitution des métalloïdes avec Cr3+ dans le réseau ZnS car des défauts interstitiels, de lacunes et de substitution ont été découverts dans un échantillon préparé, fournissant une preuve directe de l'amélioration de l'efficacité photocatalytique. Par exemple, les défauts de substitution peuvent introduire de nouveaux sites actifs pour les réactions photocatalytiques, tandis que les défauts de Frankel peuvent augmenter le nombre de porteurs de charge disponibles pour le processus photocatalytique lorsqu'une lacune cationique est adjacente à une lacune anionique. Les impuretés, les lacunes et le désordre anti-site peuvent être utilisés pour améliorer l'activité photocatalytique du ZnS en agissant comme centres de recombinaison pour les photoporteurs, ce qui entraîne une augmentation de la concentration des porteurs de charge et donc une amélioration de l'activité photocatalytique. Les défauts interstitiels, de lacunes et de substitution sont directement proportionnels à l'amélioration de l'efficacité photocatalytique, et la présence de défauts a été étudiée à partir de FL et XPS. En raison de l'existence de défauts, les échantillons avaient des porteurs de charge supplémentaires et de nouveaux sites actifs qui participent à la réaction et augmentent la valeur de la première constante de pseudo-ordre de vitesse et l'efficacité photocatalytique.

Des échantillons de ZnS pur orné de GO dopé à l'azote, de ZnS substitué à 4 % de Cr et de 2 % de Ga3+/In3+/Al3+ co-substitué par 2 % d'ions Cr3+ dans des nanofils de ZnS poreux à base de GO ont été préparés avec succès à l'aide d'une méthode hydrothermique en une étape pour les applications photocatalytiques et biomédicales. Un changement radical de la bande interdite d'énergie a été observé à partir de la spectroscopie de réflectance UV-Vis et a illustré que les nanofils préparés sont capables d'absorber plus de lumière visible. XPS et FL ont étudié que la présence de défauts est une preuve directe de l'amélioration de l'efficacité photocatalytique. Habituellement, dans la purification de l'eau, les matériaux à base de Zn libèrent de grandes quantités d'ions Zn avec des effets potentiellement toxiques. Dans notre cas, moins de quantité de Zn réagit directement avec les colorants dans les eaux usées car les nanofils de ZnS ont été décorés par les feuilles de graphène, par conséquent, la surface supérieure est en oxyde de graphène qui est poreux et non toxique. Nous avons souligné que les molécules de ZnS sont liées entre des nanofeuilles d'oxyde de graphène à structure en nid d'abeille, elles ne sont donc pas libérées après la procédure de dégradation du colorant. Il a été vérifié que le GO vierge n'est pas adapté à l'activité photocatalytique en raison de sa propriété d'apesanteur. En raison de son poids plus faible, la recyclabilité de cette poudre est réduite, le GO est donc remplacé comme élément additif par du ZnS. Il existe de nombreuses applications intrigantes provoquées par l'introduction de nanomatériaux superparamagnétiques GO/ZnS et GO qui présentent une structure superparamagnétique, notamment l'administration ciblée de médicaments, l'imagerie par résonance magnétique, l'hyperthermie magnétique et la thermoablation, la bioséparation et la biodétection.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié [et ses fichiers d'informations supplémentaires].

Wang, Y., Wang, H., Zhang, TC, Yuan, S. et Liang, B. Carbone poreux dopé N dérivé de composites de polyphénylènediamine rGO-Incorporated pour l'adsorption de CO2 et les supercondensateurs. J. Power Sources 472, 228610. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228610 (2020).

Article CAS Google Scholar

Xiao, J., Wang, Y., Zhang, TC et Yuan, S. Composites de carbone poreux rGO/N pour améliorer les performances de capture du CO2 et de stockage de l'énergie. J. Alliages Compd. 857, 157534. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157534 (2021).

Article CAS Google Scholar

Dimiev, AM, Alemany, LB & Tour, JM Oxyde de graphène. Origine de l'acidité, son instabilité dans l'eau et un nouveau modèle structurel dynamique. ACS Nano 7, 576–588. https://doi.org/10.1021/nn3047378 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jiang, Y., Guo, F., Liu, Y., Xu, Z. et Gao, C. Impression tridimensionnelle de matériaux à base de graphène pour le stockage et la conversion d'énergie. SusMat 1, 304–323. https://doi.org/10.1002/sus2.27 (2021).

Article CAS Google Scholar

Wang, C., Huang, M. & Ruoff, RS "Encre" d'aérogel d'oxyde de graphène à température ambiante et structures ordonnées par moulage par congélation. Carbone 183, 620–627. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.07.046 (2021).

Article CAS Google Scholar

Papageorgiou, DG, Kinloch, IA & Young, RJ Propriétés mécaniques du graphène et des nanocomposites à base de graphène. Programme. Mater Sci. 90, 75–127. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004 (2017).

Article CAS Google Scholar

Smith, AT, LaChance, AM, Zeng, S., Liu, B. & Sun, L. Synthèse, propriétés et applications de l'oxyde de graphène/oxyde de graphène réduit et de leurs nanocomposites. Nano-matière. Sci. 1, 31–47. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.004 (2019).

Article Google Scholar

Zhai, HY & Zou, H. Synthèse de nanomatériaux ZnS co-dopés Cr, Ag et sa capacité d'adsorption pour les colorants réactifs. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi/Spectrosc. Spectre. Anal. 37, 2638–2644. https://doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2017)08-2638-07 (2017).

Article CAS Google Scholar

Rabbani, SF & Banu, IBS Ferromagnétisme semi-métallique dans (Mn, Cr) semi-conducteur magnétique dilué ZnS codopé : calculs des premiers principes. Calcul. Mater. Sci. 101, 281–286. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.01.043 (2015).

Article CAS Google Scholar

Zhang, Y., Zhang, N., Tang, Z.-R. & Xu, Y.-J. Le graphène transforme le ZnS à large bande interdite en un photocatalyseur de lumière visible. Le nouveau rôle du graphène en tant que photosensibilisateur macromoléculaire. ACS Nano 6, 9777–9789. https://doi.org/10.1021/nn304154s (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ouyang, L., Zhang, Y., Wang, Y., Wang, X. & Yuan, S. Aperçu des comportements d'adsorption et d'oxydation photocatalytique des nanocomposites TiO2/g-C3N4 dopés au bore vers As(III) en solution aqueuse. Ing. ind. Chim. Rés. 60, 7003–7013. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00509 (2021).

Article CAS Google Scholar

Hong, Y. et al. Influence de l'intégrité du réseau et de la composition de phase sur l'efficacité de production d'hydrogène photocatalytique des nanomatériaux ZnS. Nanoscale 4, 2859–2862. https://doi.org/10.1039/C2NR30150D (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Sharma, PK & Pandey, OP Activité photocatalytique améliorée avec dopage aux ions métalliques et co-dopage dans les nanoparticules de CeO2. Solid State Sci. 126, 106846. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106846 (2022).

Article CAS Google Scholar

Dutta, S., Chatterjee, S., Mukherjee, I., Saha, R. & Singh, BP Fabrication de sphères creuses ZnS et de nanocomposite RGO-ZnS utilisant la cystéamine comme nouvelle source de soufre : performances photocatalytiques sur les colorants et les effluents industriels. Ing. ind. Chim. Rés. 56, 4768–4778. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b00107 (2017).

Article CAS Google Scholar

Gajendiran, J. et al. Propriétés structurales, optiques et photocatalytiques de nanostructures sphériques/flocons de ZnS par procédé hydrothermique assisté par sucre. Chim. Phys. Lett. 754, 137639. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2020.137639 (2020).

Article CAS Google Scholar

Dake, DV et al. Performances photocatalytiques des nanocomposites β ZnS substitués au Cr à base de graphène. Appl. Phys. A 128, 276. https://doi.org/10.1007/s00339-022-05407-1 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Kuyuldar, E. et al. Catalyseurs PtRunano à base d'oxyde de graphène fonctionnalisés par la thiourée monodisperse pour l'oxydation des alcools. Sci. Rep. 10, 7811. https://doi.org/10.1038/s41598-020-64885-6 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramesh, S. et al. Matériaux poreux d'oxyde de graphène dopé à l'azote @ électrode SnO2 pour une application de supercondensateur capable. Sci. Rep. 9, 12622. https://doi.org/10.1038/s41598-019-48951-2 (2019).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chang, Y.-S., Chen, F.-K., Tsai, D.-C., Kuo, B.-H. & Shieu, F.-S. Oxyde de graphène réduit dopé N pour les capteurs de gaz NO à température ambiante. Sci. Rep. 11, 20719. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99883-9 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Krishnamoorthy, K., Veerapandian, M., Yun, K. & Kim, SJ L'analyse chimique et structurelle de l'oxyde de graphène avec différents degrés d'oxydation. Carbone 53, 38–49. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.10.013 (2013).

Article CAS Google Scholar

Huang, L., Liu, H., Wang, Y., Zhang, TC et Yuan, S. Construction d'une hétérojonction ternaire Bi2O3/biochar/g-C3N4 pour accélérer la séparation des porteurs photoinduits pour une photodégradation améliorée de la tétracycline. Appl. Le surf. Sci. 616, 156509. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156509 (2023).

Article CAS Google Scholar

Liu, H., Huo, W., Zhang, TC, Ouyang, L. & Yuan, S. Élimination photocatalytique de la tétracycline par une hétérojonction en Z d'oxyiodure de bismuth/g-C3N4 exfolié : performance, mécanisme et voie de dégradation. Mater. Aujourd'hui Chem. 23, 100729. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100729 (2022).

Article CAS Google Scholar

Dake, DV et al. Déduire les propriétés physiques des nanotiges et des nanofleurs de ZnO substituées par La pour la photodégradation du colorant azoïque rouge Congo. J. Mater. Sci. Mater. Électron. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06969-1 (2021).

Article Google Scholar

Raskar, N. et al. Développement de lacunes d'oxygène et de défauts de surface dans des nanofleurs de ZnO dopés au Mn pour améliorer l'activité photocatalytique de la lumière visible. SN Appl. Sci. 2, 1403. https://doi.org/10.1007/s42452-020-3053-0 (2020).

Article CAS Google Scholar

Dake, DV et al. Exploration du rôle des défauts sur diverses propriétés des nanostructures de ZnS substituées au Cr pour des applications photocatalytiques. Appl. Phys. A 126, 640. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03669-1 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Mote, V., Dargad, J. & Dole, B. Effet de la concentration de dopage Mn sur les études structurelles, morphologiques et optiques des nanoparticules de ZnO. Nanosci. Nanoeng. 1, 116–122. https://doi.org/10.13189/nn.2013.010204 (2013).

Article CAS Google Scholar

Raskar, ND et al. Synthèse en une étape de nanotiges de ZnO dopées au Mn à croissance verticale pour une application photocatalytique. J. Mater. Sci. Mater. Électron. 30, 10886–10899. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01433-7 (2019).

Article CAS Google Scholar

Soleimani, F. & Nezamzadeh-Ejhieh, A. Etude de l'activité photocatalytique du nano-composite CdS-ZnS dans la photodégradation de la rifampicine en solution aqueuse. J. Marché. Rés. 9, 16237–16251. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.091 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zhang, H., Zhang, H., Zhu, P. et Huang, F. Effet morphologique dans la dégradation photocatalytique du bleu direct sur les catalyseurs TiO2 mésoporeux. ChimieSelect 2, 3282–3288. https://doi.org/10.1002/slct.201601346 (2017).

Article CAS Google Scholar

Nguyen-Phan, T.-D. & Shin, EW Effet morphologique des catalyseurs TiO2 sur la dégradation photocatalytique du bleu de méthylène. Ing. J. Ind. Chim. 17, 397–400. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2011.05.013 (2011).

Article CAS Google Scholar

Ganesan, K. et al. Une étude comparative sur l'estimation des défauts par spectroscopie XPS et Raman dans des structures nanographitiques à quelques couches. Phys. Chim. Chim. Phys. 18, 22160–22167. https://doi.org/10.1039/C6CP02033J (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bian, Y., Zheng, G., Ding, W., Hu, L. & Sheng, Z. Effet du champ magnétique sur la dégradation photocatalytique du méthylorange par la poudre commerciale de TiO2. RSC Adv. 11, 6284–6291. https://doi.org/10.1039/D0RA08359C (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kumar, KC & Kaleemulla, S. Effet du co-dopage (Sn, Ni) sur les propriétés structurelles, optiques et magnétiques des nanoparticules de ZnS et des films minces. Mater. Sci. Semicond. Processus. 104, 104692. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104692 (2019).

Article CAS Google Scholar

Bansal, N., Mohanta, GC & Singh, K. Effet du co-dopage Mn2+ et Cu2+ sur les propriétés structurelles et luminescentes des nanoparticules de ZnS. Céram. Int. 43, 7193–7201. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.007 (2017).

Article CAS Google Scholar

Kavi Rasu, K., Sakthivel, P. & Prasanna Venkatesan, GKD Effet du co-dopage Pd2+ sur les propriétés structurelles et optiques des nanoparticules Mn2+:ZnS. Opter. Technologie laser. 130, 106365. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106365 (2020).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs remercient le généreux soutien du Centre d'accélération interuniversitaire (IUAC) de New Delhi pour l'assistance financière par le biais du projet n° IUAC/XIII.7/UFR-67305, Inde, et de feu le professeur SS Shah pour ses discussions scientifiques efficaces et ses encouragements.

Laboratoire de recherche sur les matériaux avancés, Département de physique, Université Dr Babasaheb Ambedkar Marathwada, Aurangabad, 431004, MS, Inde

DV Dake, ND Raskar, VA Mane, RB Sonpir et BN Dole

Département de génie électrique et informatique, Laboratoire de nanotechnologie et des matériaux avancés, Université du Péloponnèse, 26334, Patras, Grèce

E. Stathatos

Département des polymères et des fonctions, CSIR-Indian Institution of Chemical Technology, Tarnaka, Hyderabad, Telangana, 500007, Inde

M. Vasundhara

Science des matériaux, Inter-University Accelerator Centre, Aruna Asaf Ali Marg, New Delhi, 110 067, Inde

R.Meena

Département de physique et Centre de recherche interdisciplinaire, Université d'études pétrolières et énergétiques (UPES), Dehradun, Uttarakhand, 248007, Inde

K. Asokan

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

DVD a rédigé la première ébauche du manuscrit et effectué l'analyse formelle et l'investigation. La méthodologie, la conservation des données et les travaux liés aux logiciels ont été assistés par DVD, NDR, VAM et RBS Le manuscrit a été révisé et édité par ES, MV, RM, KA et BND La conceptualisation, les ressources, la rédaction et la visualisation ont été réalisées par BND et DVD Le travail présenté ici a été supervisé par BND

Correspondance avec BN Dole.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Dake, DV, Raskar, ND, Mane, VA et al. Propriétés physicochimiques intrigantes et impact des co-dopants sur les nanofils ZnS à base d'oxyde de graphène dopés N pour une application photocatalytique. Sci Rep 13, 7595 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33453-z

Télécharger la citation

Reçu : 11 janvier 2023

Accepté : 13 avril 2023

Publié: 10 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-33453-z

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.