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Jan 09, 2024

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Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8188 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Durch mechanochemisches Mahlen in der Kugelmühle und anschließendes Erhitzen auf 650 °C für 5 Stunden wurde erfolgreich das einphasige Bi2VO5,5-Pulver hergestellt. Die katalytische Aktivität für den Methylenblau-Farbstoffabbau wurde untersucht. Zur Bestätigung der Phasenbildung wurden Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung eingesetzt. Das Ladungsträgertransportverhalten der Probe wurde mittels zeitabhängiger Photostromanalyse ermittelt. Das Piezo-Photokatalyse-Experiment ergab eine Abbaueffizienz von 63 % für die kugelgemahlene Bi2VO5,5-Probe. Die Kinetik pseudo-erster Ordnung des piezophotokatalytischen Farbstoffabbaus wird erkannt und der signifikante k-Wert von 0,00529 min−1 erreicht. Der Scavenger-Test zeigt, dass das h+-Radikal die vorherrschende aktive Spezies während des Piezo-Photokatalyse-Experiments ist. Vigna radiata-Samen wurden in einem Phytotoxizitätstest zur Bewertung des Keimungsindex verwendet. Die mechanochemische Aktivierungsmethode erleichtert Reaktionen durch Senkung der Reaktionstemperatur und -zeit. Die Auswirkung einer verbesserten piezophotokatalytischen Effizienz auf das kugelgemahlene Bi2VO5,5-Pulver ist ein unerforschtes Gebiet, und wir haben versucht, es zu untersuchen. Hier erzielte kugelgemahlenes Bi2VO5,5-Pulver eine verbesserte Farbstoffabbauleistung.

Derzeit hat die rasante Industrialisierung die menschliche Gesellschaft in eine neue Ära geführt, in der der Schutz der Umwelt ein Hauptanliegen ist. Die Menschen haben begonnen, die Notwendigkeit des Umweltschutzes zu erkennen, indem sie bessere Wege zur Bewältigung von Umweltschäden finden1. Zu den organischen Schadstoffen, die sehr häufig in der Lebensmittel-, Pharma-, Druck-, Färberei- und anderen Industriezweigen eingesetzt werden, gehören Farben und Antibiotika2. Organische Farbstoffe sind ein wesentlicher Bestandteil von Industrieabwässern, da die Textilindustrie sie in großen Mengen direkt in Gewässer einleitet, was zu erheblichen Umweltrisiken führt und auch die menschliche Gesundheit schädigt3. Organische Schadstoffe sind krebserregend und giftig und beeinträchtigen die Gesundheit von Gewässern, Tieren und Menschen4. Zahlreiche Studien wurden durchgeführt und in der Literatur veröffentlicht, um Standardmethoden zur Entfernung von Schadstoffen aus Industrieabwässern zu entwickeln5,6. Konventionelle Methoden der Wasserreinigung wie Koagulation, Adsorption, Ultrafiltration und mikrobieller Abbau waren bis vor kurzem die Norm für die Abwasserbehandlung7. Allerdings weisen diese Techniken den Nachteil auf, dass sie eine schlechte Entfernungseffizienz aufweisen, dass der Sekundärschadstoff einer weiteren Behandlung bedarf und dass es schwierig ist, Schadstoffe mit geringen Konzentrationen zu beseitigen7,8. Daher war es von entscheidender Bedeutung, effiziente und ökologisch akzeptable Verfahren zum Abbau dieser organischen Schadstoffe zu entwickeln.

Zur Aufbereitung von Textilabwässern kommen mittlerweile vielfältige physikalische, chemische und biologische Verfahren zum Einsatz9. Erprobte und erschwingliche Technologien sind die Photokatalyse und die Piezokatalyse10,11. Sie gelten aufgrund ihres Potenzials, umweltfreundlich zu sein und organische Verunreinigungen mit hoher Effizienz aus wässrigen Lösungen zu entfernen, als umweltfreundliche Alternativen4,12. Bei der Halbleiter-Photokatalyse ist eine Verbesserung des Photokatalysators erforderlich, um dessen Fähigkeit zur Lichtabsorption zu verbessern und gleichzeitig die Trennung verschiedener Ladungsträger zu erleichtern13,14. Halbleiter-Photokatalysatoren zeigten aufgrund ihrer einzigartigen Bandstrukturen, Mobilität und hervorragenden Trennung der photogenerierten Ladungsträger ein bemerkenswertes Potenzial in der Photokatalyse15. Zu den Vorteilen der Photokatalyse gehören die Fähigkeit, Toxine bei Raumtemperatur in geringen Konzentrationen zu oxidieren, die Reduzierung sekundärer Schadstoffe, niedrige Kosten und Ungiftigkeit, wodurch sie für den Abbau der Schadstoffe geeignet ist16,17. Anatas TiO2 ist derzeit aufgrund seiner höheren Oxidationskraft, seines niedrigeren Preises und seiner hervorragenden chemischen Stabilität der am meisten bevorzugte Photokatalysator18,19. Aufgrund seiner großen Bandlücke (3,20 eV) und der relativ kurzen Lebensdauer fotoinduzierter Ladungsträger weist TiO2 eine schlechte Quanteneffizienz auf, da es nur den UV-Anteil der Sonnenstrahlen absorbieren kann1,18. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, einen effektiven, durch sichtbares Licht aktiven Photokatalysator zu entwickeln. Neben der Photokatalyse kann auch die durch Ultraschallvibrationen induzierte Piezokatalyse allein oder in Kombination zur Abwasserbehandlung eingesetzt werden20,21. Es wurde intensiv nach neuen Photokatalysatoren gesucht, die effektiver auf sichtbares Licht reagieren. Bi-basierte Halbleiter haben aufgrund ihrer neuartigen Eigenschaften und der einfachen Verfügbarkeit von Rohstoffen große Aufmerksamkeit erregt7,22. In Gegenwart der hybridisierten Valenzbänder Bi (6s) und O (2p) weisen viele Oxide, die Bi3+ enthalten, photokatalytische Eigenschaften auf23. Als neue photokatalytische Materialien wurden Substanzen auf Wismutbasis wie BiVO4, Bi2WO6, Bi2MoO6, CaBi2O4, BiNbO4 und Bi2VO5.5 beschrieben1,24,25,26,27. Die auf Wismut basierenden Oxide, wie Wismutvanadat, besitzen spektakuläre Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Ungiftigkeit, Ferroelastizität und Ionenleitfähigkeit28,29. Im Gegensatz zu den meisten ferroelektrischen Materialien weist Wismutvanadat (Bi2VO5,5, (BV)) gleichzeitig eine hohe Ionenmobilität und polare Reaktionen auf, zwei Eigenschaften, die typischerweise inkompatibel sind30,31. Es gibt zahlreiche Anwendungen dafür, darunter Katalysatoren, Festelektrolyte, Gassensoren und positive Elektrodenmaterialien für wiederaufladbare Lithiumbatterien32,33,34. Bi2VO5,5 kann mit verschiedenen Techniken hergestellt werden, darunter Sol-Gel, Kopräzipitation, Festkörperreaktion und Mikrowelle33,35,36. Piezoresponsives Verhalten ist ein Ergebnis der nicht zentrosymmetrischen orthorhombischen Struktur von BV37,38. Das Material erfuhr eine spontane Polarisation aufgrund einer diskreten stabilen Polarisation, die durch die nicht zentrosymmetrische Elementarzelle induziert wurde 39 . Die daraus resultierende Oberflächenpolarisation führt zu Bandbiegungen und Raumladungsregionen39. Die Standardformel für Bi2VO5.5 lautet (Bi2O2)2+ (An−1BnO3n+1)2−, wobei B für sechs-, vier- und fünfwertige Ionen steht, n für die Anzahl der zwischen Bi2O2-Schichten eingeklemmten Perowskitblöcke, und A für zwei-, drei- und einwertige Ionen40,41. BV hat eine Schichtstruktur wie BiVO442. Aufgrund seiner geringen Bandlücke wird BV in einem breiten Absorptionsbereich für sichtbares Licht eingesetzt42. Die traditionelle Keramiksynthesemethode erfordert eine hohe Temperatur und eine längere Reaktionszeit43. Die mechanochemische Aktivierungsmethode erleichtert Reaktionen durch Senkung der Reaktionstemperatur und -zeit, ohne die Stöchiometrie zu ändern43. Es wurde effektiv eingesetzt, um die Verbindungsbildung und Phasenübergänge zu beschleunigen sowie die physiochemischen Eigenschaften neuartiger Materialien zu verbessern43,44. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Katalysators eine entscheidende Komponente. Die große Oberfläche des Katalysator-Nanopartikels ermöglicht die Adsorption von Farbstoffmolekülen, die für den Photoneneinfang und die Produktion von Elektron-Loch-Paaren ausreichen, was die photokatalytische Aktivität verbessern kann45,46. Es wurde berichtet, dass Materialien mit kleiner Partikelgröße über Sol-Gel-, Kopräzipitations-, Mikrowellen- und mechanochemische Kugelmahlverfahren (MBM) aktivierte Prozesse hergestellt werden33,47. Aufgrund ihrer großen Oberfläche ist eine kleine Partikelgröße vorteilhaft für die Verbesserung der katalytischen Effizienz45. Xie et al.48 bauten Methylenblau (MB) erfolgreich mit auf Bi2VO5,5 abgeschiedenen Au-Nanopartikeln mit einer Effizienz von 85,2 % ab. Jianmin Wang et al. verwendeten eine BiVO4/Bi2VO5.5-Nanostruktur, um Methylenorange (MO) in Gegenwart von sichtbarem Licht um 95 % abzubauen42. Bi2VO5,5/Bi2O3-Verbundfilme wurden von Xie et al. verwendet. um bei simuliertem Sonnenschein eine MB-Farbstoffabbaueffizienz von 89,97 % zu erreichen 1.

In einem ähnlichen Sinne präsentiert diese Studie die Ergebnisse eines mechanochemischen Kugelmahl-Syntheseansatzes (MBM), der zur Herstellung des faszinierenden Bi2VO5,5-Oxids verwendet wurde. Unter Verwendung des MBM-Syntheseansatzes zur Synthese pulverförmiger BiVO4-Proben haben wir kürzlich über eine 81-prozentige Abbaueffizienz des MB-Farbstoffs mithilfe der Piezo-Photokatalyse berichtet44. Unter Verwendung einer Bi2VO5,5-Pulverprobe, die nicht durch eine Kugelmühle synthetisiert wurde, konnten wir den MB-Farbstoff abbauen und mithilfe der Piezo-Photokatalyse einen Wirkungsgrad von 82 % erreichen34. Bi2VO5,5-Pulver, das im MBM-Verfahren hergestellt wurde, wurde bisher nicht für den piezophotokatalytischen Einsatz untersucht. Der synergetische Effekt von Photokatalyse und Piezokatalyse würde im Vergleich zum reinen Photokatalyse- und reinen Piezokatalyse-Ansatz in kürzerer Zeit eine hohe Desintegrationseffizienz erreichen. In Bezug auf den metastabilen erhöhten Energiezustand führt die beim Mahlen auftretende Verringerung der Partikelgröße zu Defekten und Mikrospannungen. BV wird daher einer Nachglühbehandlung unterzogen, um die erzeugten Defekte zu beseitigen34,49. Die Auswirkung einer verbesserten piezophotokatalytischen Effizienz auf das kugelgemahlene BV-Pulver ist ein unerforschtes Gebiet, und wir haben versucht, es hier zu untersuchen. Durch den Einsatz des kugelgemahlenen Pulvers in der industriellen Abwasserbehandlung würden sich sowohl die Effizienz des Farbstoffabbaus als auch die Behandlungszeit verbessern.

Die mechanochemische Kugelmahlmethode (MBM) ist eine produktive Methode zur Herstellung von Materialien mit Abmessungen im Submikron- und Nanobereich. Durch wiederholtes Schweißen und Brechen wird sichergestellt, dass jedes Material einer Festkörperreaktion unterzogen wird, die zur endgültigen Synthese des Pulvermaterials führt. Mit dieser Technik wird durch Legieren der aktuellen chemischen Komponenten pulverförmiges Material im Submikronbereich mit der richtigen Stöchiometrie erhalten. Die MBM-Synthesemethode zur Herstellung von BV-Pulver ist in Abb. 1 dargestellt. V2O5- und Bi2O3-Oxidpulver wurden in einem 250-ml-Wolframcarbidgefäß entsprechend dem stöchiometrischen Molverhältnis kombiniert. Um das Material zu mahlen, verwendeten wir 10 Wolframkarbidkugeln mit einem Durchmesser von jeweils 20 mm. Für eine Dauer von 17 Stunden bei einer Geschwindigkeit von 300 U/min wurde eine Retsch-Planetenkugelmühle (PM100) für das Mahlen bei Umgebungstemperatur eingesetzt. Nach jeweils 30 Minuten wurde eine 5-minütige Pause eingelegt, um das System abkühlen zu lassen. Die Partikelgrößenreduzierung wurde während des 26-stündigen Nassmahlvorgangs bei 300 U/min unter Verwendung eines spezifischen Gewichtsverhältnisses von 1:20:0,5 für das BV-Pulver, Yattria-stabilisierte Zirkonoxidkugeln (YSZ) und Ethanol weiter induziert. Nach der Trennung der YSZ-Kugeln wurden die erhaltenen Pulver einem 5-stündigen Glühprozess bei 650 °C unterzogen, um etwaige induzierte Defekte zu entfernen, die während des ununterbrochenen Kugelmahlens entstanden sein könnten. Nach dem Glühen erhielten wir die kugelgemahlenen Bi2VO5,5 (BV)-Pulver. Ein bestimmtes Bi2VO5,5 (BiV), das keiner Kugelmühle unterzogen wurde, wurde durch Mahlen mit Mörser und Pistill unter Verwendung von Oxidpulvern von V2O5 und Bi2O3 im korrekten stöchiometrischen Molverhältnis hergestellt, um den Vergleich der photokatalytischen Aktivität zu zeigen. Um die Bi2VO5,5-Phase zu bestätigen, wurden die Pulver mit Hilfe eines Mörsers und Stößels gemahlen und anschließend 8 Stunden lang bei 750 °C kalziniert. Die Röntgenbeugungsmethode wird zur Bestimmung der gebildeten BiV-Phase verwendet und wurde bestätigt34. Darüber hinaus wurde ein besonderes, nicht kugelgemahlenes Bi2VO5,5 (NBM BiV) synthetisiert, indem die Oxidpulver von V2O5 und Bi2O3 in den richtigen Molverhältnissen kombiniert wurden. Die Pulver wurden in einem Mörser und Pistill zerkleinert und anschließend 5 Stunden lang bei einer Temperatur von 650 °C kalziniert. Dies geschah, um zu verstehen, ob die nicht in einer Kugelmühle synthetisierte Probe, die bei reduzierter Temperatur synthetisiert wurde, die richtige Phasenbildung erreichen konnte.

Der Prozess zur Herstellung des BV-Pulvers.

Die Phasen der resultierenden pulverförmigen BV-Proben wurden mithilfe der Röntgenbeugungstechnik (XRD, Rigaku-Diffraktometer, Japan) bestimmt. Die Scanrate von 2°/min wurde auf das Probenpulver über einen Winkelbereich von 10–65° 2θ angewendet. Zur Analyse der Struktur und Bindung des Materials wurde Raman-Spektroskopie eingesetzt. Mithilfe eines 532-nm-Lasers mit 10 % Leistung und 600 Gittern zum Scannen des Materials im Bereich von 100–1300 cm−1 wurden die Raman-Spektren mit einem HORIBA-Spektrometer (LabRAM HR Evolution, Japan) erhalten. Die KBr-Pellets wurden als Matrix für eine Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Untersuchung verwendet, die mit einem Perkin Elmer Spectrum RX I-Spektrophotometer durchgeführt wurde. Genaue Informationen über die Mikrostrukturen und Oberflächenmorphologien der Materialien wurden mit einem Nova Nano SEM-450 Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) erhalten. Energiedispersive Spektroskopie (EDS), die in SEM integriert ist, wurde eingesetzt, um die Zusammensetzungselemente in der BV-Probe zu verstehen. Zur Bewertung der Bindungsenergie und des chemischen Zustands der produzierten BV-Probe wurde ein Röntgenphotoelektronenspektrometer (Nexsa) verwendet. Das UV-sichtbare Spektrophotometer (SHIMADZU) wurde zur Bewertung der Absorptionsspitzenintensität verwendet.

Das Strom-Zeit-Profil der erzeugten BV-Probe wurde mit einer elektrochemischen Workstation (AUT86543 Metrohm Autolab BV) aufgezeichnet. Als Gegenelektrode wurde ein Platindraht verwendet, und in der Drei-Elektroden-Anordnung wurde ein Ag-AgCl-Draht sowohl für die Arbeits- als auch für die Referenzelektrode verwendet. Eine Quelle für sichtbares Licht wurde von zwei Havells Company mit jeweils 15-W-Glühbirnen bereitgestellt. Um die Photostromreaktion aufzuzeichnen, durchlief die sichtbare Lichtquelle einige EIN- und AUS-Zyklen. Der verwendete Elektrolyt war eine phosphatgepufferte Salzlösung mit einer Konzentration von 0,1 M. Die Arbeitselektrode wurde durch Mischen von 1 ml Ethanol, 5 mg Katalysator und 20 µL Nafion-Lösung hergestellt. Nachdem die resultierende Katalysatortinte 30 Minuten lang durch Ultraschall gut vermischt worden war, wurde sie mit ca. 10 µL Katalysatortinte als Oberflächenbeschichtung auf die gereinigte Glaskohlenstoffelektrode aufgetragen. Vor dem Einsatz der Elektrode als Arbeitselektrode wurde bestätigt, dass die Schicht ordnungsgemäß getrocknet war.

Zur Bestimmung der Bandlücke der synthetisierten Probe wurde diffuse Reflexionsspektroskopie (DRS) eingesetzt. Laut Literatur wurde die direkte Bandlücke durch Umrechnung der vom DRS erfassten Absorptionsspektren in Taucs Diagramm (ein Diagramm zwischen E vs \(\left( {\alpha E} \right)^{2}\))50 bestimmt.

Um die Wirksamkeit der BV-Pulverprobe im photokatalytischen Experiment zu bewerten, haben wir den Abbau des MB-Farbstoffs in Gegenwart von sichtbarem Licht gemessen. Typischerweise wurde im Photokatalyseexperiment eine Probe von 0,2 g (g) verwendet. Die Adsorptions-Desorptions-Sättigung des Farbstoffs wurde vor Beginn der photokatalytischen Bewertung ermittelt. Der erste Ausgangsfarbstoff wurde durch einen neuen 20-ml-Farbstoff mit einer Konzentration von \(\sim\) 5 mg/L ersetzt, als das Adsorptionsgleichgewicht erreicht war. Zwei Glühbirnen wurden verwendet, um die in die Farbstofflösung eingetauchte BV-Probe mit sichtbarem Licht zu beleuchten (Firma Havells, jeweils mit 15 W Leistung). Zwischen der Probe und der einfallenden Lichtquelle wurde ein Abstand von etwa 12 cm eingestellt. Während des gesamten Experiments wurde die Probe kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 500 U/min gerührt. Die Intensität des Adsorptionspeaks wurde zur Beurteilung der photokatalytischen Aktivität verwendet. Um ein konstantes Volumen zu gewährleisten, wurde das Testmaterial nach jeder regelmäßigen Erfassungs- und Absorptionsbewertungsperiode vorsichtig wieder in das Becherglas zurückgefüllt. Zum Vergleich wurde eine Photokatalyse-Bewertung mit denselben Parametern unter Verwendung einer 0,2 g BiV-Probe durchgeführt, die nicht durch eine Kugelmühle synthetisiert worden war. Nach Gl. (1) wurde die prozentuale Abbaurate des MB-Farbstoffs ermittelt51.

wobei \({\text{C}}_{{\text{o}}}\) und \(C\) für die Menge an MB-Farbstoff stehen, die vor bzw. nach Ablauf der Zeit „t“ vorhanden ist.

Der MB-Farbstoffabbau durch Ultraschallvibration wurde als Parameter zur Beurteilung der piezokatalytischen Wirksamkeit des pulverförmigen BV verwendet. Typischerweise wurden 0,2 Gramm (g) Probe für die Katalysebewertung verwendet. Die Adsorptions-Desorptions-Sättigung des Farbstoffs wurde vor Beginn der Piezokatalyse-Bewertung ermittelt. Wenn die Adsorptionssättigung erreicht ist, wird der bereits verwendete Farbstoff durch einen neuen 20 ml Farbstoff mit einer Konzentration von \(\sim\) 5 mg/L ersetzt. Das der Farbstofflösung zugesetzte BV-Pulver wurde dann Ultraschallvibrationen ausgesetzt, die von einem Ultraschallgerät (120 W, 40 kHz) empfangen wurden. Um zu verhindern, dass sich die Farbstofflösung während der Ultraschallbehandlung erwärmt, wurde das Wasser im Ultraschallgerät alle 15 Minuten gewechselt, da es als Medium für den Prozess diente. Dieses Experiment wurde in völliger Dunkelheit durchgeführt. Um ein konstantes Volumen zu gewährleisten, wurde das Testmaterial nach jeder regelmäßigen Erfassungs- und Absorptionsbewertungsperiode vorsichtig wieder in das Becherglas zurückgefüllt. Zum Vergleich wurde eine Piezokatalyse-Bewertung mit den gleichen Parametern unter Verwendung einer 0,2 g BiV-Probe durchgeführt, die nicht durch eine Kugelmühle synthetisiert worden war.

Der MB-Farbstoffabbau bei der synergetischen Einwirkung von Ultraschallschwingungen zusammen mit der Beleuchtung mit sichtbarem Licht wurde als Parameter zur Beurteilung der piezophotokatalytischen Wirksamkeit des pulverisierten BV verwendet. Zur Durchführung der Katalysebewertung wurde eine BV-Probe mit einem Gewicht von 0,2 g entnommen. Die Adsorptions-Desorptions-Sättigung des Farbstoffs wurde vor Beginn der Piezo-Photokatalyse-Bewertung genau erreicht. Wenn die Adsorptionssättigung erreicht ist, wird der bereits verwendete Farbstoff durch einen neuen 20 ml Farbstoff mit einer Konzentration von \(\sim\) 5 mg/L ersetzt. Die Farbstofflösung und die BV-Pulverprobe wurden dann sowohl der Bestrahlung mit sichtbarem Licht von zwei Glühbirnen der Havells Company (jeweils mit einer Ausgangsleistung von 15 W) als auch der Ultraschallvibration eines Ultraschallgeräts (120 W, 40 kHz) ausgesetzt. Um zu verhindern, dass sich die Farbstofflösung während der Ultraschallbehandlung erwärmt, wurde das Wasser im Ultraschallgerät alle 15 Minuten gewechselt, da es als Medium für den Prozess diente. Um ein konstantes Volumen zu gewährleisten, wurde das Testmaterial nach jeder regelmäßigen Erfassungs- und Absorptionsbewertungsperiode vorsichtig wieder in das Becherglas zurückgefüllt. Zum Vergleich wurde eine Piezo-Photokatalyse-Bewertung mit denselben Parametern unter Verwendung einer 0,2 g BiV-Probe durchgeführt, die nicht durch eine Kugelmühle synthetisiert worden war.

Die XRD-Scans der synthetisierten BV-, BiV- und NBM-BiV-Pulverproben sind in Abb. 2 dargestellt. Die erhaltenen XRD-Muster von BV und BiV zeigen, dass alle gebeugten Peaks mit der orthorhombischen Bi2VO5.5-Standard-JCPDS-Referenzdatei (Datei-Nr . 42-0135). BV und BiV bildeten sich in einer einzigen Phase, ohne dass eine Sekundärphase vorhanden war. Die Bi2VO5,5-Phase ist in NBM-BiV vorhanden, obwohl auch sekundäre Peaks von V3O5, V2O5, V2O4 und Bi2O3 bei 18,8, 24,2, 26,8 bzw. 27,9 Grad vorhanden sind. Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen 24-Stunden-Glühen bei 1020 K synthetisiert diese Studie einphasiges Bi2VO5,5 schneller31. Der mechanochemisch-kugelmahlende Ansatz (MBM) erzeugte winzige Partikel, die bei der Synthese von einphasigem Bi2VO5,5 halfen, das bei 650 °C in nur 5 Stunden lebensfähig war. Weitere experimentelle Tests werden die pulverförmige NBM-BiV-Probe wahrscheinlich ausschließen, da eine zusätzliche Phase vorhanden ist und das Pulver nicht innerhalb von 5 Stunden bei 650 °C mit der Mörser-Pistill-Methode synthetisiert werden kann.

XRD-Ergebnisse für BV-, BiV- und NBM-BiV-Pulver.

Die mit der hergestellten BV-Probe verknüpften Raman-Banden sind in Abb. 3a dargestellt. Die Raman-Spektren wurden zwischen 350 und 1300 cm−1 untersucht. Die wichtigsten Raman-Banden wurden bei den Wellenlängen 372, 653, 768, 852 und 926 cm−1 gefunden. Diese erhaltenen Banden stimmen mit zuvor veröffentlichten Studien überein9,52. Während die Banden bei 768 und 653 cm-1 das doppelt koordinierte (V-O-V) Sauerstoffatom erkennen lassen, zeigt die bei 372 cm-1 beobachtete Bande die symmetrische Schwingungsmodenbiegung der V-O-Bindungen9,52. Kurzreichweitige Schwingungs-VO-Bindungen werden durch die bei 852 cm−1 erhaltene Bande veranschaulicht, während die schwache Mode bei 925 cm−1 die V4+ = O-Einheit darstellt. Die Verfügbarkeit von Vanadium im gemischten Valenzzustand von + 4 und + 5 verursacht diesen schwachen Schwingungsmodus, der als V4+=O-Signatur dargestellt wird52.

Das (a) Raman-Spektrum und (b) FTIR-Spektrum der BV-Probe.

Die Änderung der funktionellen Gruppe des Materials wird durch die FTIR-spektroskopische Analyse der BV-Probe verstanden, wie in Abb. 3b dargestellt. In diesem Fall sind signifikante IR-Banden bei 832, 766, 715, 610 und 529 cm−1 vorhanden. Die asymmetrische Streckung der V-O-Bindung wird durch den Peak bei 832 cm-1 angezeigt, während die schwingungssymmetrische Streckung der V-O-Bindung durch den Peak bei 766 und 715 cm-153,54 dargestellt wird. Bei 613 und 529 sind Peaks sichtbar, die die Verformung des (O–V–O)-Vanadatanions55,56 zeigen.

Die REM-Aufnahmen wurden verwendet, um die Oberflächenmorphologie der Probe zu veranschaulichen, wie in Abb. 4 dargestellt. Abbildung 4a–c liefert einen klaren Beweis für das Vorhandensein der unregelmäßig geformten Körner der BV-Probe. Die unregelmäßig geformte Morphologie der nicht kugelgemahlenen BiV-Probe ist in Abb. 4d dargestellt. Wir haben die Partikelgröße mithilfe des Kugelmahlverfahrens effektiv auf den Submikronbereich reduziert, wie die REM-Aufnahmen zeigen. Die Abbildungen 4c und d zeigen den Unterschied in der Partikelgröße zwischen der kugelgemahlenen Bi2VO5,5 (BV)-Probe und der nicht kugelgemahlenen Bi2VO5,5 (BiV)-Probe. Für die BV-Probe wurde eine EDS-Elementarfarbkartierung durchgeführt, um eine genaue Phasenidentifizierung zu erreichen. Abbildung 4e–f zeigt den ausgewählten Kartierungsbereich und das Vorhandensein der O-, V- und Bi-Elemente.

REM-Aufnahmen von (a–c) BV-Probe, (d) BiV-Probe und (e–f) EDS-Elementarfarbkartierungsbewertung von BV.

Um den chemischen Zustand der Elemente zu ermitteln, wurde die BV-Pulverprobe einer XPS-Untersuchung unterzogen. Die XPS-Spektren, die den V2p-, O1s- und Bi4f-Scans entsprechen, sind in Abb. 5a – c dargestellt. Jede der asymmetrischen Bi4f7/2- und Bi4f5/2-Komponenten des Bi4f-Spektrums wurde zunächst in ihre jeweiligen Bi2+- und Bi3+-Komponenten getrennt. Zwei Peaks bei 157,3 und 163,7 eV sind mit der Oxidationsstufe Bi2+ kompatibel, während zwei weitere Peaks bei 158,8 und 164,1 eV mit der Oxidationsstufe Bi3+ übereinstimmen57,58. Jede der V2p3/2- und V2p1/2-Komponenten des V2p-Spektrums wurde zunächst in ihre jeweiligen V4+- und V5+-Komponenten getrennt. Der V5+-Oxidationszustand wird durch Peaks bei 516,4 und 524,2 eV angezeigt, während der V4+-Oxidationszustand durch Peaks bei 517,3 und 523 eV59 angezeigt wird. Auch asymmetrische O1s-Spektren wurden zunächst in OL- und OA-Unterkomponenten aufgeteilt. Die Symbole OL und OA repräsentieren Sauerstofffehlstellen bzw. Gittersauerstoff (O2−-Oxidationszustand)57. Intrinsische Defekte, die während der Produktion und Wärmebehandlung entstehen, führen zu lokalisierten Sauerstofffehlstellen. Durch die gebundene zusätzliche Ladung in Form von Elektronenpaaren um die V- und Bi-Atome und im freien Bereich werden Bi3+ und V5+ in Bi2+ bzw. V4+ umgewandelt. Folglich bestätigen wir das Vorkommen von Bi2+ und V4+ zusätzlich zu den zuvor dokumentierten Bi3+ und V5+60.

(a–c) Die XPS-Spektren, die für V2p, Bi4f und O1s aufgenommen wurden.

Abbildung 6a zeigt eine zeitabhängige Photostromstudie einer pulverförmigen BV-Probe, die zur Bestimmung des Ladungsträgertransportverhaltens der Probe verwendet wurde. BV erreicht vor dem Farbstoffabbau eine niedrige Dunkelstromdichte von (~ 2,8 µA/cm2) und zeigt eine erhöhte Photostromdichte von (~ 6,5 µA/cm2), wenn es sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Als Ergebnis konnten wir ein etwa 2,3-faches Verhältnis zwischen sichtbarem Licht und Dunkelstrom ermitteln. Die Trennung der photogenerierten Ladungsträger wird durch die Bildung einer hohen Photostromdichte erleichtert. Die Photostromreaktion der BV-Probe kann umgekehrt sein, wie durch Wiederholen der Photostromdichte bei jeder Bestrahlungsintensität gezeigt wird61,62.

Die (a) zeitabhängige Photostromreaktion der BV-Probe (b) das Absorptionsspektrum (c) das Tauc-Diagramm.

Abbildung 6b zeigt das diffuse Reflexionsspektrum (DRS), gemessen an der BV-Pulverprobe. Es zeigt die erfasste optische Absorptionskante der kugelgemahlenen BV-Probe an. Der untersuchte Bandlückenwert der BV-Probe ist in Abb. 6c mit 2,15 eV dargestellt. Da die Bandlücke von BV im sichtbaren Spektrum liegt, kann das Photokatalyseexperiment mit sichtbarem Licht durchgeführt werden.

Das Photokatalyseexperiment für das BV-Pulver wurde anhand des MB-Farbstoffabbaus bewertet und die Ergebnisse sind in Abb. 7a dargestellt. Die genaue Adsorptions-Desorptions-Sättigung des Farbstoffs wurde vor Beginn der photokatalytischen Bewertung ermittelt. Abbildung 7a zeigt, dass die UV-sichtbaren Absorptionspeakspektren des MB-Farbstoffs abnahmen, als die Zeitdauer der Bestrahlung mit sichtbarem Licht zum Zwecke der Auswertung der photokatalytischen Auswertung verlängert wurde. Die abnehmende Spitzenintensität bei längerer Belichtungszeit ist ein Beweis dafür, dass sich die umweltschädliche Farbstofflösung verfärbt hat. Die \(\frac{C}{{C_{o} }}\)-gegen-Zeit-Diagramme, die für die Photokatalysebewertung mit BV, BiV und ohne Verwendung von BV-Proben (Kontrolle) erhalten wurden, sind in Abb. 7b dargestellt. Ohne Probe führte die Photolyse dazu, dass der Kontrollfarbstoff nach 180 Minuten um etwa 12 % abgebaut wurde, wenn er sichtbarem Licht ausgesetzt wurde. Bei einer 180-minütigen Belichtung mit sichtbarem Licht betrugen die MB-Abbaueffizienzen der BV- und BiV-Proben ~ 29 % bzw. ~ 17 %. Im Vergleich zur Kontrollprobe verbesserte sich die Farbstoffabbaueffizienz der BV- und BiV-Proben um 17 % bzw. 5 %. Die Variation der Partikelgröße zwischen den BV- und BiV-Proben, die auch durch REM-Aufnahmen gezeigt wurde, ist die Ursache für die Diskrepanz in der von den beiden Proben erreichten photokatalytischen Wirksamkeit. Wir haben gezeigt, dass das Mahlen in der Kugelmühle die katalytische Leistung verbessert, indem wir gezeigt haben, dass die Abbaueffizienz von BV 12 % höher war als die der nicht in der Kugelmühle synthetisierten BiV-Probe.

(a) Änderungen der Absorptionsspektren während des photokatalytischen Tests mit BV-Probe. (b) \(\frac{C}{{C_{o} }}\)-gegen-Zeit-Diagramme für photokatalytische Tests mit BV, BiV und ohne Proben.

Das BV-Pulver-Piezokatalyse-Experiment wurde durch Überwachung des MB-Farbstoffabbaus ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Abb. 8a dargestellt. Wie in Abb. 8a dargestellt, diente die Verringerung des Absorptionspeakspektrums des MB-Farbstoffs mit zunehmender Ultraschallbehandlungszeit als Beweis dafür, dass es unter Ultraschall zu einem Abbau des MB-Farbstoffs kam. Die Entfärbung der Schadstofflösung wird durch die mit der Zeit abnehmenden Peakspektren unterstützt. Die für die Piezokatalyse-Bewertung mit BV, BiV und ohne Verwendung von BV-Proben (Kontrolle) erhaltenen \(\frac{C}{{C_{o} }}\)-Daten über der Zeit sind in Abb. 8b dargestellt. Durch den Ultraschallprozess bilden sich Wasserblasen, die eingeschlossene Gase und Wasserdampf enthalten, wachsen und kollabieren63. Diese Aktivität erzeugt eine lokale heiße Zone, in der die Temperatur auf 4000–5000 K63,64 ansteigt. Diese lokalisierten heißen Zonen fördern den thermolytischen Abbau von Wasser, was zur Bildung von ·OH-Radikalen führt. Diese erzeugten ·OH-Radikale beschleunigen den Abbau des MB-Farbstoffs. Sonolyse ist der in der Literatur verwendete Begriff zur Beschreibung des gesamten Phänomens65. Um zu verhindern, dass sich die Farbstofflösung während der Ultraschallbehandlung erwärmt, wurde das Wasser im Ultraschallgerät alle 15 Minuten gewechselt, da es als Medium für den Prozess diente. In 180 Minuten Ultraschallbehandlung erfuhr der Kontrollfarbstoff in Abwesenheit jeglicher Probe einen MB-Farbstoffabbau von 13 %. Im 180-minütigen Piezokatalyse-Experiment betrugen die MB-Farbstoffabbaueffizienzen der BV- und BiV-Proben ~ 32 % bzw. ~ 20 %. Im Vergleich zur Kontrollprobe verbesserte sich die Farbstoffabbaueffizienz der BV- und BiV-Proben um 19 % bzw. 7 %. Die Variation der Partikelgröße zwischen den BV- und BiV-Proben, die auch durch REM-Aufnahmen gezeigt wurde, ist die Ursache für die Diskrepanz in der erreichten piezokatalytischen Wirksamkeit der beiden Proben. Wir haben gezeigt, dass das Mahlen in der Kugelmühle die katalytische Leistung verbessert, indem wir gezeigt haben, dass die Abbaueffizienz von BV 12 % höher war als die der nicht in der Kugelmühle synthetisierten BiV-Probe.

(a) Änderungen der Absorptionsspektren während piezokatalytischer Tests mit BV-Probe. (b) \(\frac{C}{{C_{o} }}\) versus Zeitdaten, die für piezokatalytische Tests mit BV, BiV und ohne Probe erhalten wurden.

Das piezophotokatalytische Experiment mit BV-Pulver wurde durch Überwachung des MB-Farbstoffabbaus ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Abb. 9a dargestellt. Die genaue Adsorptionssättigung des Farbstoffs wurde vor Beginn der Piezo-Photokatalyse-Bewertung ermittelt. Zum Nachweis des MB-Farbstoffabbaus durch Piezophotokatalyse haben wir die zeitabhängige Verschiebung der Absorptionspeakspektren des Farbstoffs verfolgt, wie in Abb. 9a dargestellt. Die Entfärbung der Schadstofflösung wird durch die mit der Zeit abnehmenden Peakspektren unterstützt. Durch den Ultraschallprozess bilden sich Wasserblasen, die eingeschlossene Gase und Wasserdampf enthalten, wachsen und kollabieren. Diese Aktivität erzeugt eine lokale heiße Zone, in der die Temperatur auf 4000–5000 K63,64 ansteigt. Diese lokalisierten heißen Zonen fördern den thermolytischen Abbau von Wasser, was zur Bildung von ·OH-Radikalen führt. Diese erzeugten ·OH-Radikale beschleunigen den Abbau des MB-Farbstoffs66. Um zu verhindern, dass sich die Farbstofflösung während des Piezo-Photokatalyse-Experiments erwärmt, wurde das Wasser im Ultraschallgerät alle 15 Minuten gewechselt, da es als Medium für den Prozess diente. Das Diagramm \(\frac{C}{{C_{o} }}\), das für die Piezo-Photokatalyse-Bewertung von BV, BiV und ohne Verwendung einer Probe (Kontrolle) erhalten wurde, ist in Abb. 9b dargestellt. In einem 180-minütigen Piezo-Photokatalyse-Experiment wird der Kontrollfarbstoff ohne Verwendung von Proben um etwa 19 % abgebaut. In 180 Minuten der Piezo-Photokatalyse-Bewertung betrugen die MB-Abbaueffizienzen der BV- und BiV-Proben ~ 63 % bzw. ~ 28 %. Im Vergleich zur Kontrollprobe verbesserte sich die Farbstoffabbaueffizienz der BV- und BiV-Proben um 44 % bzw. 9 %. Die Variation der Partikelgröße zwischen den BV- und BiV-Proben, die auch durch REM-Aufnahmen gezeigt wurde, ist die Ursache für die Diskrepanz in der von den beiden Proben erreichten photokatalytischen Wirksamkeit. Wir haben gezeigt, dass das Mahlen in der Kugelmühle die katalytische Leistung verbessert, indem wir gezeigt haben, dass die Abbaueffizienz von BV 35 % höher war als die der nicht in der Kugelmühle synthetisierten BiV-Probe. Die Abbaueffizienz des MB-Farbstoffs durch Piezophotokatalyse, Piezokatalyse und Photokatalyse an der BV-Probe ist in Abb. 9c dargestellt. Bei der Bewertung der Photokatalyse, Piezokatalyse und Piezophotokatalyse erreichte die pulverförmige BV-Probe eine MB-Farbstoffabbaueffizienz von 29 %, 32 % bzw. 63 %. Es ist offensichtlich, dass Piezo-Photokatalyse-Kombinationseffekte zu höheren Abbaueffizienzen führten, als einzelne Piezokatalyse- und einzelne Photokatalyse-Studien zu erzielen vermochten. Die Verwendung einer BV-Pulverprobe zeigte eine Verbesserung der Abbauleistung während der Piezo-Photokatalyse um 34 % bzw. 31 % im Vergleich zu den Ergebnissen der einzelnen Photokatalyse- bzw. Piezokatalyse-Experimente. Aufgrund der veränderten Bandstruktur, die durch das interne elektrische Feld hervorgerufen wird, führt die Bewertung der Piezo-Photokatalyse zu einer besseren Nutzung der erzeugten Ladungsträger67,68. Darüber hinaus trennt die Strompolarisierung effektiv Ladungsträger und verringert so die Wahrscheinlichkeit einer Ladungsrekombination67,69. Daher könnte sich der Doppeleffekt der Piezo-Photokatalyse als nützliche Strategie zur Steigerung der photokatalytischen und piezokatalytischen Effizienz erweisen. Während der Untersuchung der Piezo-Photokatalyse-Bewertung wurden der Farbstofflösung separat Fänger wie Isopropanol (IPA), p-Benzochinon (p-BQ) und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) zugesetzt, um die aktiven Radikalspezies wie das Hydroxylradikal zu binden (·OH), Superoxidradikal (\(^{ \cdot } {\text{O}}_{2}^{ - }\)) und Löcher (h+)70. Abbildung 9d zeigt, wie die Beurteilung der Piezo-Photokatalyse unter Verwendung der BV-Probe erheblich durch den EDTA-Scavenger beeinflusst wurde, der vorzugsweise Löcher (h+) auffängt. Basierend auf den Ergebnissen eines Scavenger-Assays sind Löcher (h+) die wichtigsten aktiven Spezies beim piezophotokatalytischen Farbstoffabbau.

(a) Änderungen der Absorptionsspektren während des photokatalytischen Tests mit BV (b) \(\frac{C}{{C_{o} }}\) gegenüber der Zeit, die für photokatalytische Tests mit BV, BiV und ohne Probenauswertung (c) erhalten wurde Piezo-Photokatalyse, Piezokatalyse und Photokatalyse mit BV (d) Verschiedene Scavenger-Effekte wurden unter Verwendung von BV-Pulvern während der piezo-photokatalytischen Analyse untersucht.

Abbildung 10a zeigt die Diagramme \(\frac{C}{{C_{o} }}\) über der Zeit, die während der Piezo-Photokatalyse-Bewertung unter Verwendung von BV-Pulvermaterial bei verschiedenen Farbstoffkonzentrationen (5, 10 und 15 mg/L) erstellt wurden. . Abbildung 10b zeigt die − ln \(\left( {\frac{{\text{C}}}{{{\text{C}}_{{\text{o}}} }}} \right)\) im Vergleich zur Zeit, die während der Piezo-Photokatalyse-Bewertung unter Verwendung einer BV-Probe bei unterschiedlichen Farbstoffkonzentrationen erfasst wurde. Die durch Gl. beschriebene Kinetik pseudo-erster Ordnung. 2 regelt in diesem Fall die piezophotokatalytische Abbaureaktion71,72.

hier steht „k“ für die kinetische Geschwindigkeitskonstante, die durch \({\text{ln}}\frac{{\text{C}}}{{{\text{C}}_{{\text{o}“ bestimmt wird. }} }}\) Steigung des linearen Diagramms über der Zeit 't'. Der herausragende k-Wert von 0,00529 min−1 wird hier bei einer Farbstoffkonzentration von 5 mg/L erreicht und erfährt mit zunehmender Farbstoffkonzentration eine Abnahme des k-Werts. Die erhaltenen kinetischen Geschwindigkeitskonstanten für verschiedene Farbstoffkonzentrationen von 5, 10 und 15 mg/L betrugen 0,00529, 0,00218 bzw. 0,00113 min−1. Abbildung 10c zeigt die Grafik zwischen der kinetischen Geschwindigkeitskonstante „k“ und den verschiedenen MB-Farbstoffkonzentrationen (5, 10 und 15 mg/L). Die MB-Farbstoffkalibrierungskurve ist in Abb. 10d dargestellt. Diese Kurve wurde durch Messung der charakteristischen Spitzenabsorptionsintensität des MB-Farbstoffs bei verschiedenen Konzentrationen (0, 5, 10, 15 und 20 mg/L) erstellt. Abbildung 10d zeigt eine lineare Beziehung zwischen Absorption und Konzentration. Mithilfe dieser Kurve kann der Absorptionsintensitätswert der im Katalyseexperiment verwendeten Farbstofflösung bestimmt werden. Einige detaillierte Studien finden sich in den Zusatzdaten S1.

(a) \(\frac{C}{{C_{o} }}\) versus Zeitdiagramm für die piezophotokatalytische Auswertung bei variierender Farbstoffkonzentration (b) − ln \(\left( {\frac{{\text{ C}}}{{{\text{C}}_{{\text{o}}} }}} \right)\) versus Zeitdiagramm für die piezophotokatalytische Auswertung bei unterschiedlichen Farbstoffkonzentrationen (c) Diagramm über die Kinetik Geschwindigkeitskonstante „k“ gegenüber der Konzentration des MB-Farbstoffs (mg/L) und (d) Kalibrierungskurve des MB-Farbstoffs.

Um die Nachhaltigkeit, Wiederverwendbarkeit und Eignung des gereinigten Abwassers nach der Piezo-Photokatalyse-Bewertung zu untersuchen, wurde ein vereinfachter Keimungsindex-Test (GI) durchgeführt, bei dem die Keimung der Samen sowie ihr vollständiges Wachstum bewertet wurden. Vigna radiata-Samen wurden von der Dr. Rajendra Prasad Central Agricultural University, Bihar, erhalten. Alle Experimente wurden nach relevanten Richtlinien durchgeführt. Jedes der drei Fläschchen enthielt 10 Vigna radiata-Samen, die täglich mit je 0,5 ml unbehandeltem, behandeltem und destilliertem Wasser besprenkelt wurden. Die Auswertung des Tests erfolgte über sieben Tage im indischen IIT Mandi, wo die durchschnittliche Außentemperatur 30 °C betrug. Abbildung 11a–c zeigt das Samenwachstum in drei verschiedenen Szenarien: Färbewasser vor der Piezophotokatalyse, Färbewasser nach der Piezophotokatalyse und destilliertes Wasser. Es zeigte sich, dass die meisten Hindernisse für das Saatgutwachstum mit unbehandeltem 5 mg/L Farbstoff verbunden waren, wohingegen das Saatgutwachstum unter dem Einfluss des aufbereiteten Wassers ungiftig ist73. Allerdings müssen essbare Pflanzen weiter geschützt werden und etwaige negative Auswirkungen müssen wirksam bekämpft werden. Als Alternative zur Bewässerung essbarer Pflanzen schlagen wir vor, dieses aufbereitete Abwasser zur Bewässerung von Spielplätzen zu verwenden74. Der Wasserbedarf wird dadurch teilweise reduziert. Die Ergebnisse zur Phytotoxizität sind in Abb. 11d dargestellt. Emino et al. haben drei Klassen für Substanzen basierend auf GI-Werten vorgeschlagen: starke Phytotoxizität \(\left( {{\text{GI}} < 50\% } \right),\) mäßige Phytotoxizität \((50{\text{\% } } < GI < 80\% ),\) und keine Phytotoxizität \(({\text{GI}} > 80\% )\)72,75. Den Ergebnissen zufolge weist unbehandelter Farbstoff ein hohes Maß an Toxizität auf, behandeltes Wasser weist jedoch ein mäßiges Maß an Toxizität72,75 auf. Hier hatte eine Piezo-Photokatalyse-Bewertung des für die Keimung des Saatguts verwendeten aufbereiteten Wassers nur eine Effizienz des Farbstoffabbaus von 63 % erreicht. Durch Erhöhung der katalytischen Belastung, Verlängerung der katalytischen Zeitspanne und Verringerung der Farbstoffkonzentration ist es auch möglich, eine Farbstoffreinigungseffizienz von 100 % zu erreichen, was den Keimungsindex weiter erhöhen würde21,76.

Wirkung des MB-Farbstoffs auf die Entwicklung von Vigna radiata-Samen über einen Zeitraum von 7 Tagen. Die Bewertung wurde unter Verwendung von (a) 5 mg/L MB-Farbstoff (b) behandeltem Abwasser (c) destilliertem Wasser (d) Analyse des Keimungsindex an 2 Proben durchgeführt, die 0 und 3 Stunden nach dem Piezo-Photokatalyse-Experiment entnommen wurden.

Eine Beschreibung des Mechanismus, der durch BV während des Abbauwegs des MB-Farbstoffs im Rahmen der Photokatalyse-, Piezokatalyse- und Piezophotokatalysestudien entsteht, ist in Abb. 12a – c dargestellt. Der Mechanismus der Photokatalyse ist in Abb. 12a dargestellt, wobei die synthetisierte BV-Phase als Reaktion auf Lichtstimulation Elektron-Loch-Paare bildet. Superoxidradikale (\({\text{O}}_{2}^{ \cdot - } )\) entstehen, wenn Elektronen mit adsorbiertem Sauerstoff reagieren, während Hydroxylradikale \({\text{(OH}}^{ \ cdot } )\) entstehen, wenn Löcher das adsorbierte Wasser oxidieren. Zu den reaktiven oxidierenden Spezies (ROS) gehören Spezies wie (\({\text{O}}_{2}^{ \cdot - } )\) und \({\text{(OH}}^{ \cdot } )\ ), die MB-Farbstoff in unschädliche Endprodukte abbauen. Als Ergebnis kommt es zu einer photokatalytischen Aktivität4,44.

Von BV verursachter Mechanismus bei der Bewertung von (a) Photokatalyse (b) Piezokatalyse (c) Piezo-Photokatalyse.

Der Mechanismus der Piezokatalyse ist in Abb. 12b dargestellt. Der Kavitationsprozess erzeugt lokale Hotspots, die Kräfte auf die BV-Oberfläche ausüben und lokale Spannungen verursachen66. Die durch Ultraschall induzierte Spannung führt zur Bildung von Polarisationsladungen (einem internen elektrischen Feld) auf der Oberfläche von BV. Der Einfluss des internen elektrischen Feldes führt dazu, dass sich die freien Elektron-Loch-Paare in die entgegengesetzte Polarität verschieben, was die Dissoziation von e−h+-Paaren unterstützt77,78. Infolgedessen kommt es auf der BV-Oberfläche zu einer erhöhten Ansammlung freier Ladung, da die Wahrscheinlichkeit einer Ladungsträgerrekombination unterdrückt wird69,79. Obwohl immer noch Uneinigkeit über die mögliche Quelle der Ladungsträger während des Ultraschallprozesses besteht, wird angenommen, dass Sonolumineszenz (während der Ultraschallbehandlung wird Licht mit einer Wellenlänge von 375 nm erzeugt) und ein Wärmeanstieg aufgrund der Entstehung von Hotspots die Ursache sein könnten80,81. Ultraschall mit Phänomenen wie der Polarisation kann einen synergistischen Effekt haben. Darüber hinaus unterstützt die polarisationsinduzierte Bandbiegung den Transport von e− und h+ zur BV-Oberfläche. Dabei handelt es sich nicht um photogeneriertes e− und h+, da die Piezokatalyse im Dunkeln stattfindet. Superoxidradikale (\({\text{O}}_{2}^{ \cdot - } )\) entstehen, wenn Elektronen mit adsorbiertem Sauerstoff interagieren, während Hydroxylradikale \({\text{(OH}}^{ \ cdot } )\) entstehen, wenn Löcher das adsorbierte Wasser oxidieren. Diese ROS tragen auch zur Bildung harmloser Endprodukte bei, wenn MB-Farbstoff abgebaut wird44,63,64. Folglich tritt piezokatalytische Aktivität auf.

Der Piezo-Photokatalysemechanismus ist in Abb. 12c dargestellt. Die Valenzbandelektronen (VB) werden durch sichtbares Licht dazu angeregt, in das Leitungsband (CB) zu wandern, während die VB-Löcher zurückbleiben, wodurch Elektron-Loch-Paare in der BV-Phase entstehen82. Obwohl immer noch Uneinigkeit über die Quelle der Ladungsträger während des Ultraschallprozesses besteht, wird angenommen, dass Sonolumineszenz (während der Ultraschallbehandlung wird Licht mit einer Wellenlänge von 375 nm erzeugt) und ein Wärmeanstieg aufgrund der Entstehung von Hotspots die Ursache sein könnten80,81. Ultraschall mit Phänomenen wie der Polarisation kann einen synergistischen Effekt haben. Bei der Piezo-Photokatalyse überwiegen thermisch angeregte Löcher und Elektronen gegenüber fotoangeregten Löchern und Elektronen, die in geringer Konzentration vorliegen. Dadurch verbessert die Zugabe von Ultraschall und sichtbarem Licht die Konzentration freier Ladungen auf der Oberfläche der Halbleiterkatalysatoren83. Die bei der Ultraschallbehandlung erzeugte Spannung induziert Polarisationsladungen auf der BV-Oberfläche. Als Folge des Kavitationsprozesses entstehen lokale Hotspots, die auf die BV-Oberfläche wirken und eine lokale Spannung erzeugen63,64. Eine positive Polarisationsladung wird an der Oberfläche durch eine ferroelektrische Domäne erzeugt, deren Ausrichtung von der Masse zur Oberfläche verläuft, wohingegen eine negative Ladung von einer Domäne erzeugt wird, deren Ausrichtung von der Oberfläche zur Masse verläuft. Dadurch kann ein elektrisches Feld innerhalb des BV erzeugt werden. Positive und negative Polarisationsladungen auf dem BV ziehen dementsprechend fotogenerierte Elektronen und Löcher an84. Das Energieband wird auf der Seite der positiven Polarisationsladung nach unten und auf der Seite der negativen Polarisationsladung nach oben verschoben, wie in Abb. 12c dargestellt. Durch die durch die Polarisation hervorgerufene Bandbiegung werden fotoangeregte Elektronen weiter auf ein niedrigeres Energieniveau bewegt, während die fotogenerierten Löcher im VB auf ein erhöhtes Energieniveau verschoben werden85. Die vorherrschende Polarisation verhindert die Rekombination zwischen Elektronen und Löchern, indem sie den Raum zwischen den Ladungsträgern vergrößert, wodurch Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen geschickt werden78. Dadurch stehen der BV-Oberfläche mehr Elektronen und Löcher zur Verfügung, was die Bildung von Radikalen erhöht. Es ist energetisch wünschenswerter, dass sowohl Löcher als auch Elektronen an Redoxprozessen teilnehmen. Dadurch wird die katalytische Redoxreaktion verbessert und die Effizienz des Farbstoffabbaus beschleunigt. Elektronen, die mit adsorbiertem Sauerstoff reagieren, erzeugen Superoxidradikale (\({\text{O}}_{2}^{ \cdot - } )\), während Hydroxylradikale \({\text{(OH}}^{ \cdot } )\) entstehen, wenn Löcher das adsorbierte Wasser oxidieren. Diese ROS tragen auch zu den harmlosen Endprodukten bei, die beim Abbau des MB-Farbstoffs entstehen44,63. Der verstärkte katalytische Abbau kann auf den Zusammenhang zwischen Polarisationspotential und Photoanregungseffekten zurückgeführt werden, der die Trennung photogenerierter Elektron-Loch-Paare erleichtert und die Trägerrekombination wirksam unterdrückt. Folglich tritt piezophotokatalytische Aktivität auf.

Es wurde untersucht, ob das kugelgemahlene Bi2VO5,5-Pulver eine verbesserte piezophotokatalytische Effizienz erzielt, nachdem es durch mechanochemische Kugelmahlsynthese bei 650 °C für 5 Stunden hergestellt wurde. Durch die erfolgreiche Trennung der Ladungsträger nutzte der Katalysator effizient die synergetische Wirkung der Bestrahlung mit sichtbarem Licht zusammen mit Ultraschallvibrationen für einen verbesserten Farbstoffabbau. Die Wirksamkeit des Farbstoffabbaus durch Piezo-Photokatalyse, Piezokatalyse und Photokatalyse wurde zusammen mit dem Abbauprozess untersucht. Die Piezo-Photokatalyse-Bewertung ergibt eine Farbstoffabbaueffizienz von ~ 63 % unter Verwendung einer pulverförmigen Bi2VO5,5-Probe. Der Farbstoffzerfall folgt einer Kinetik pseudo-erster Ordnung und erreicht einen maximalen k-Wert von 0,0053 min−1. Die durch die Kugelmahlsynthese der Bi2VO5,5-Probe erreichte reduzierte Partikelgröße hat zusammen mit der synergetischen Piezo-Photokatalyse-Bewertung dazu beigetragen, eine höhere Effizienz des Farbstoffabbaus zu erreichen.

Dieses Manuskript enthält alle relevanten Daten.

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Diese Arbeit wurde vom Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) und dem Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE) der Republik Korea (Nr. 20192010106790 und Nr. 20204010600090) unterstützt. Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der King Khalid University, Saudi-Arabien, für die Finanzierung dieser Arbeit durch das Large Research Groups Program unter der Fördernummer LRGP2/274/44.

School of Engineering, Indian Institute of Technology Mandi, Mandi, Himachal Pradesh, 175005, Indien

Manish Kumar und Rahul Vaish

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, King Khalid University, Postfach 9004, Abha, Saudi-Arabien

Imen Kebaili und Imed Boukhris

Fakultät für Elektrotechnik, Hanyang-Universität, 222, Wangsimni-ro, Seongdong-gu, Seoul, 04763, Korea

Hyeong Kwang Benno Park, Yun Hwan Joo und Tae Hyun Sung

Zentrum für kreative Konvergenzbildung, Hanyang-Universität, 222, Wangsimni-ro, Seongdong-gu, Seoul, 04763, Korea

Anuruddha Kumar

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MK hat die Forschung entworfen, die Experimente durchgeführt und das Manuskript vorbereitet, und die übrigen Autoren RV, IK, IB, HP, YJ, TS und AK haben das Manuskript überprüft/bearbeitet.

Korrespondenz mit Anuruddh Kumar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kumar, M., Vaish, R., Kebaili, I. et al. Durch Kugelmahlen wurde Bi2VO5,5 für die piezophotokatalytische Bewertung synthetisiert. Sci Rep 13, 8188 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33658-2

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Eingegangen: 02. Februar 2023

Angenommen: 17. April 2023

Veröffentlicht: 20. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33658-2

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