بررسی اثر رسوب نانو ذرات Ag بر خواص فوتوکاتالیستی C3N4 برای حذف آنتی بیوتیک تتراساکلین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشیار، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

amnc.2021.9.36.3

چکیده

برخی آلاینده‌های آلی می‌توانند بدون آنکه توسط روش‌های معمول تصفیه حذف شوند وارد آب آشامیدنی شوند. یک گروه از این آلاینده‌ها آنتی‌بیوتیک‌ها هستند که در صورت حضور در آب و ورود به بدن انسان، به‌مرورزمان سبب مقاومت باکتری‌ها می‌شوند. در تحقیق حاضر نانو لایه‌های کربن ‌نیترید که یک نیمه‌هادی در محدوده نور مرئی است به روش تجزیه حرارتی دی سیانامید تهیه شد و بر روی آن، نانو ذرات نقره برای افزایش کارایی فوتوکاتالیستی رسوب‌گذاری شد. خواص فوتوکاتالیستی ماده حاصل برای حذف آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین در آب‌های آلوده مورد بررسی قرار گرفت. پودر بدست آمده توسط میکروسکپ الکترونی عبوری، پراش اشعه ایکس، آزمون تعیین سطح ویژه و طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی مشخصه یابی شد. نتایج نشان داد که کربن نیترید با موفقیت سنتز شده و نانو ذرات نقره با ابعاد 30 نانومتر بر روی سطح کربن نیترید قرارگرفته‌اند. مقدار شکاف انرژی نمونه کربن نیترید برابر 7/2 الکترون‌ولت به دست آمد که بعد از کامپوزیت کردن نمونه‌ها با نقره منطقه جذب نور مرئی در محدوده 450 تا 570 نانومتر افزایش می‌یابد و شکاف انرژی به حدود 67/2 الکترون‌ولت تغییر می‌کند. افزودن نانو ذرات نقره با جلوگیری از بازترکیب الکترون-حفره باعث بهبود خواص فوتوکاتالیستی کربن نیترید شده‌اند. نمونه حاوی دو درصد وزنی نقره دارای بالاترین خواص فوتوکاتالیستی بود. نمونه کامپوزیت تولیدی، آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین را در محلول آبی تا 89 درصد پس از زمان 60 دقیقه تخریب کرد همچنین ثابت سرعت واکنش تخریب از min-1 0087/0 در نمونه کربن نیترید خالص به min-1 036/0 پس از رسوب‌گذاری نانو ذرات نقره افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


 [1] F. Yuan, C. Hu, X. Hu, D. Wei, Y. Chen, J. Qu,
Photodegradation and toxicity changes of antibiotics
in UV and UV/H2O2 process, Journal of hazardous
materials, 185 (2011) 1256-1263.
[2] L. Liu, W. Wu, J. Zhang, P. Lv, L. Xu, Y. Yan,
Progress of research on the toxicology of antibiotic
pollution in aquatic organisms, Acta Ecologica Sinica, 38 (2018) 36-41.
[3] M. González-Pleiter, S. Gonzalo, I. Rodea-Palomares, F. Leganés, R. Rosal, K. Boltes, E. Marco, F.
Fernández-Piñas, Toxicity of five antibiotics and their
mixtures towards photosynthetic aquatic organisms:
implications for environmental risk assessment, Water research, 47 (2013) 2050-2064.
[4] X.-D. Zhu, Y.-J. Wang, R.-J. Sun, D.-M. Zhou,
Photocatalytic degradation of tetracycline in aqueous
solution by nanosized TiO2, Chemosphere, 92 (2013)
925-932.
[5] R. Daghrir, P. Drogui, Tetracycline antibiotics in
the environment: a review, Environmental chemistry
letters, 11 (2013) 209-227.
[6] B. Halling-Sørensen, G. Sengeløv, J. Tjørnelund,
Toxicity of tetracyclines and tetracycline degradation
products to environmentally relevant bacteria, including selected tetracycline-resistant bacteria, Archives
of environmental contamination and toxicology, 42
(2002) 263-271.
[7] R. Pournajaf, S.A. Hassanzadeh-Tabrizi, Polyacrylamide synthesis of nanostructured copper aluminate for photocatalytic application, Journal of Advanced Materials and Processing, 5 (2018) 12-19.
[8] M. Bellardita, E.I. García-López, G. Marcì, I.
Krivtsov, J.R. García, L. Palmisano, Selective photocatalytic oxidation of aromatic alcohols in water by
using P-doped g-C3N4, Applied Catalysis B: Environmental, 220 (2018) 222-233.
[9] U. Caudillo-Flores, D. Rodríguez-Padrón, M.J.
Muñoz-Batista, A. Kubacka, R. Luque, M. Fernández-García, Facile synthesis of B/gC 3 N 4 composite
materials for the continuous-flow selective photoproduction of acetone, Green Chemistry, 22 (2020)
4975-4984.
[10] L.K. Putri, B.-J. Ng, C.-C. Er, W.-J. Ong, W.S.
  Chang, A.R. Mohamed, S.-P. Chai, Insights on the
impact of doping levels in oxygen-doped gC3N4 and
its effects on photocatalytic activity, Applied Surface
Science, 504 (2020) 144427.
[11] S. Borthakur, P. Basyach, L. Kalita, K. Sonowal,
A. Tiwari, P. Chetia, L. Saikia, Sunlight assisted degradation of a pollutant dye in water by a WO 3@ gC
3 N 4 nanocomposite catalyst, New Journal of Chemistry, 44 (2020) 2947-2960.
[12] J. Jiang, J. Yu, S. Cao, Au/PtO nanoparticlemodified g-C3N4 for plasmon-enhanced photocatalytic hydrogen evolution under visible light, Journal
of colloid and interface science, 461 (2016) 56-63.
[13] J. Hong, X. Xia, Y. Wang, R. Xu, Mesoporous
carbon nitride with in situ sulfur doping for enhanced
photocatalytic hydrogen evolution from water under visible light, Journal of Materials Chemistry, 22
(2012) 15006-15012.
[14] G. Gao, Y. Jiao, E.R. Waclawik, A. Du, Single
atom (Pd/Pt) supported on graphitic carbon nitride as
an efficient photocatalyst for visible-light reduction
of carbon dioxide, Journal of the American Chemical
Society, 138 (2016) 6292-6297.
[15] S. Wang, J. Zhan, K. Chen, A. Ali, L. Zeng, H.
Zhao, W. Hu, L. Zhu, X. Xu, Potassium-Doped gC3N4 Achieving Efficient Visible-Light-Driven CO2
Reduction, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8 (2020) 8214-8222.
[16] G. Zhang, X. Zhu, D. Chen, N. Li, Q. Xu, H. Li,
J. He, H. Xu, J. Lu, Hierarchical Z-scheme gC 3 N
4/Au/ZnIn 2 S 4 photocatalyst for highly enhanced
visible-light photocatalytic nitric oxide removal and
carbon dioxide conversion, Environmental Science:
Nano, 7 (2020) 676-687.
[17] Y. Zhao, H. Shi, D. Yang, J. Fan, X. Hu, E. Liu,
Fabrication of a Sb2MoO6/g-C3N4 photocatalyst for
enhanced RhB degradation and H2 generation, The
Journal of Physical Chemistry C, 124 (2020) 13771-
13778.
[18] S. Linic, P. Christopher, D.B. Ingram, Plasmonic-metal nanostructures for efficient conversion of
solar to chemical energy, Nature materials, 10 (2011)
911-921.
[19] K. Yuan, R. Qin, J. Yu, X. Li, L. Li, X. Yang, X.
Yu, Z. Lu, X. Zhang, H. Liu, Effects of localized surface plasmon resonance of Ag nanoparticles on luminescence of carbon dots with blue, green and yellow emission, Applied Surface Science, 502 (2020)
144277.
[20] S.C. Chan, M.A. Barteau, Preparation of highly
uniform Ag/TiO2 and Au/TiO2 supported nanoparticle catalysts by photodeposition, Langmuir, 21
(2005) 5588-5595.
[21] J. Ma, X. Guo, Y. Zhang, H. Ge, Catalytic performance of TiO2@ Ag composites prepared by
modified photodeposition method, Chemical Engineering Journal, 258 (2014) 247-253.
[22] J. Taing, M.H. Cheng, J.C. Hemminger, Photodeposition of Ag or Pt onto TiO2 nanoparticles decorated on step edges of HOPG, ACS nano, 5 (2011)
6325-6333.
[23] Y. Gao, J. Lin, Q. Zhang, H. Yu, F. Ding, B. Xu,
Y. Sun, Z. Xu, Facile synthesis of heterostructured
YVO4/g-C3N4/Ag photocatalysts with enhanced
visible-light photocatalytic performance, Applied
Catalysis B: Environmental, 224 (2018) 586-593.
[24] X. Wei, H. Liu, T. Li, Z. Jiang, W. Hu, Q. Niu,
J. Chen, Three-dimensional flower heterojunction
g-C3N4/Ag/ZnO composed of ultrathin nanosheets
with enhanced photocatalytic performance, Journal
of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,
390 (2020) 112342.
[25] Z. Sun, D. Yuan, H. Li, X. Duan, H. Sun, Z.
Wang, X. Wei, H. Xu, C. Luan, D. Xu, Synthesis of
yttrium aluminium garnet (YAG) by a new sol-gel
method, J. Alloys Compd., 379 (2004) L1-L3.
[26] J. Liu, E. Hua, High photocatalytic activity of
heptazine-based g-C3N4/SnS2 heterojunction and
its origin: insights from hybrid DFT, The Journal of
Physical Chemistry C, 121 (2017) 25827-25835.
[27] Y. Qu, R. Cheng, Q. Su, X. Duan, Plasmonic enhancements of photocatalytic activity of Pt/n-Si/Ag
photodiodes using Au/Ag core/shell nanorods, Journal of the American Chemical Society, 133 (2011)
16730-16733.
[28] Q. Lang, Y. Chen, T. Huang, L. Yang, S. Zhong,
L. Wu, J. Chen, S. Bai, Graphene “bridge” in transferring hot electrons from plasmonic Ag nanocubes
  to TiO2 nanosheets for enhanced visible light photocatalytic hydrogen evolution, Applied Catalysis B:
Environmental, 220 (2018) 182-190.
[29] N. Daneshvar, M. Rabbani, N. Modirshahla, M.
Behnajady, Kinetic modeling of photocatalytic degradation of Acid Red 27 in UV/TiO2 process, Journal
of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,
168 (2004) 39-45.
[30] H.-j. Wang, X.-y. Chen, Kinetic analysis and
energy efficiency of phenol degradation in a plasmaphotocatalysis system, Journal of hazardous materials, 186 (2011) 1888-1892.
[31] M. Rashed, A. El-Amin, Photocatalytic degradation of methyl orange in aqueous TiO2 under different solar irradiation sources, International Journal of
Physical Sciences, 2 (2007) 73-81.
[32] J. Wen, J. Xie, X. Chen, X. Li, A review on gC3N4-based photocatalysts, Applied surface science,
391 (2017) 72-123.
[33] S. Ye, R. Wang, M.-Z. Wu, Y.-P. Yuan, A review
on g-C3N4 for photocatalytic water splitting and
CO2 reduction, Applied Surface Science, 358 (2015)
15-27.
[34] A. Mishra, A. Mehta, S. Basu, N.P. Shetti, K.R.
Reddy, T.M. Aminabhavi, Graphitic carbon nitride
(g–C3N4)–based metal-free photocatalysts for water
splitting: a review, Carbon, 149 (2019) 693-721.
[35] C. Zhang, Y. Li, D. Shuai, Y. Shen, W. Xiong, L.
Wang, Graphitic carbon nitride (g-C3N4)-based photocatalysts for water disinfection and microbial control: A review, Chemosphere, 214 (2019) 462-479.
[36] F. Yan, Y. Wang, J. Zhang, Z. Lin, J. Zheng, F.
Huang, Schottky or ohmic metal–semiconductor
contact: influence on photocatalytic efficiency of Ag/
ZnO and Pt/ZnO model systems, ChemSusChem, 7
(2014) 101-104.
[37] R. Raji, K. Sibi, K. Gopchandran, ZnO: Ag
nanorods as efficient photocatalysts: Sunlight driven
photocatalytic degradation of sulforhodamine B, Applied Surface Science, 427 (2018) 863-875.
[38] H. Liu, Y. Hu, Z. Zhang, X. Liu, H. Jia, B. Xu,
Synthesis of spherical Ag/ZnO heterostructural composites with excellent photocatalytic activity under
visible light and UV irradiation, Applied Surface Science, 355 (2015) 644-652.
[39] B. Li, R. Wang, X. Shao, L. Shao, B. Zhang, Synergistically enhanced photocatalysis from plasmonics
and a co-catalyst in Au@ ZnO–Pd ternary core–shell
nanostructures, Inorganic Chemistry Frontiers, 4
(2017) 2088-2096.
[40] C. Clavero, Plasmon-induced hot-electron generation at nanoparticle/metal-oxide interfaces for
photovoltaic and photocatalytic devices, Nature Photonics, 8 (2014) 95-103.
[41] A. Azimi-Fouladi, S. Hassanzadeh-Tabrizi, A.
Saffar-Teluri, Sol-gel synthesis and characterization of TiO2-CdO-Ag nanocomposite with superior
photocatalytic efficiency, Ceramics International, 44
(2018) 4292-4297.
[42] M. Mousavi, A. Habibi-Yangjeh, M. Abitorabi,
Fabrication of novel magnetically separable nanocomposites using graphitic carbon nitride, silver
phosphate and silver chloride and their applications
in photocatalytic removal of different pollutants using
visible-light irradiation, Journal of colloid and interface science, 480 (2016) 218-231.
[43] X. Wang, J. Yan, H. Ji, Z. Chen, Y. Xu, L. Huang,
Q. Zhang, Y. Song, H. Xu, H. Li, MO degradation by
Ag–Ag 2 O/gC 3 N 4 composites under visible-light
irradation, SpringerPlus, 5 (2016) 1-13.
[44] S. Renukadevi, A.P. Jeyakumari, A one-pot microwave irradiation route to synthesis of CoFe2O4-
g-C3N4 heterojunction catalysts for high visible light
photocatalytic activity: Exploration of efficiency and
stability, Diamond and Related Materials, 109 (2020)
108012.