مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

ساخت نانوکامپوزیت TiO2/CoFe2O4 برای تصفیه‌ی آب و حذف رنگ آلی متیل اورانژ

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
1 استاد، گروه مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
چکیده
آب‌های آلوده و بحران‌های محیط زیستی مربوط به آن یکی از معضلات بزرگ جوامع در سال‌های اخیر است و درنتیجه به سیستم‌های تصفیه‌ی جدید یکی از زمینه‌های تحقیقاتی پیشرو در بین محققان نیاز است. فوتوکاتالیست‌ها و فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) به‌عنوان تکنیک‌های مؤثر در تصفیه‌ی آب و حذف آلاینده‌ها شناخته می‌شوند. این روش‌ها به‌ویژه در کاهش آلاینده‌های آلی و معدنی در پس‌آب‌ها کاربرد دارند. توسعه‌ی فناوری‌های جدید و نانوساختارها می‌تواند به افزایش کارایی این فرایندها کمک کند و آن‌ها را برای استفاده‌ی گسترده‌تر در تصفیه‌ی آب مناسب‌تر سازد. در تحقیق حاضر، نانوکامپوزیت TiO2/ CoFe2O4 با استفاده از روش سل-ژل ساخته شد. پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف‌سنجی انعکاسی ماوراءبنفش-مرئی (UV-vis DRS) برای شناسایی کامپوزیت تولیدی استفاده شدند. فعالیت فوتوکاتالیستی کامپوزیت تولیدی با استفاده از تخریب رنگ آلی متیل اورانژ مطالعه شد. نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس نشان داد که تیتانیا در فاز آناتاز و فریت کبالت با ساختار اسپینل مکعبی تشکیل شده است. اندازه‌ی متوسط دانه‌ها حدود ۱۰۰ نانومتر بود. محصولات تولیدی بدون استفاده از اکسیدان‌ها عملکرد تخریب مناسبی را نشان دادند. تخریب فوتوکاتالیستی نمونه‌ی تیتانیا پس از کامپوزیتی شدن افزایش یافت. شکاف انرژی پس از کامپوزیت شدن از ۲/۳ الکترون ولت به ۹۱/۲ الکترون ولت کاهش یافت. ثابت سرعت سینتیک به‌دست‌آمده در تخریب متیل اورانژ برای نمونه‌ی تیتانیای خالص و نمونه‌ی کامپوزیتی به‌ترتیب برابر ۰۰۸۲/۰ و ۰۱۴۳/۰ به دست آمد. آزمایش‌های اسکونجرگذاری برای بررسی سازوکار تخریب فوتوکاتالیستی انجام شد که نشان داد رادیکال‌های سوپراکسید و هیدروکسیل به‌ترتیب فعال‌ترین گونه‌ها در فرایند تخریب فوتوکاتالیستی هستند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Fabrication of TiO2/CoFe2O4 Nanocomposite for Water Purification and Removal of Methyl Orange Organic Dye

نویسندگان English

Sayed Ali Hassanzadeh-Tabrizi 1
Saeid Jabbarzare 2
1 Professor, Department of Materials Engineering, Na.C., Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Na.C., Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
چکیده English

Contaminated water is considered one of the major problems facing societies in recent years, leading to the increasing need for new purification systems, which has consequently become a leading area of research among scientists. Photocatalysts and Advanced Oxidation Processes (AOPs) are recognized as effective techniques for water purification and pollutant removal. These methods are particularly applicable in reducing both organic and inorganic contaminants in wastewater. The development of new technologies and nanostructures can enhance the efficiency of these processes and make them more suitable for broader use in water treatment. In the present study, a TiO2/CoFe2O4 nanocomposite was synthesized using the sol-gel method. X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), and UV-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-vis DRS) were employed to analyze the synthesized composite. The photocatalytic activity of the produced composite was studied through the degradation of methyl orange. The X-ray diffraction analysis indicated that titania was in the anatase phase while cobalt ferrite exhibited a cubic spinel structure. The average particle size of the nanoparticles was approximately 100 nm. The synthesized composite demonstrated effective degradation performance without the addition of oxidants. The photocatalytic degradation of titania increased followed by the addition of cobalt ferrite. The band gap energy of the samples decreased from 2.3 eV to 2.91 eV following the inclusion of CoFe2O4. The kinetic rate constants for the degradation of methyl orange for pure titania and composite samples were 0.0082 and 0.0143, respectively. Scavenger tests were conducted to investigate the photocatalytic degradation mechanism, which showed that superoxide and hydroxyl radicals were the most active species in the photocatalytic degradation process.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite
TiO2
CoFe2O4
Methyl Orange
  1. Behzadi, S., Nonahal, B., Royaee, S. J., & Asadi, A. A. (2020). TiO2/SiO2/Fe3O4 Magnetic Nanoparticles Synthesis and Application in Methyl Orange UV Photocatalytic Removal. Water Science and Technology, 82(11), 2432–2445. https://doi.org/2166/wst.2020.509
  2. Dolabella, S., Aurelio Borzì, A. D., & Neels, A. (2022). Lattice Strain and Defects Analysis in Nanostructured Semiconductor Materials and Devices by High‐resolution X‐ray Diffraction: Theoretical and Practical Aspects. Small Methods, 6(2), 2100932. https://doi.org/10.1002/smtd.202100932
  3. Elsayed, Y. M. H., Yusoff, M. Z. M., Kamil, S. A., Idris, M. H. M., Mohamad, S. A. S., Yahya, M. S., & Yap, M. F. A. A. H. (2024). Characterizations of ZnO nanoparticles green synthesized using flaxseeds extract for biomedical applications. Trends in Sciences, 21(8), 7923-7923. https://doi.org/10.48048/tis.2024.7923
  4. Hairom, N. H. H., Soon, C. F., Mohamed, R. M. S. R., Morsin, M., Zainal, N., Nayan, N. et al. (2021). A review of nanotechnological applications to detect and control surface water pollution. Environmental Technology & Innovation, 24, https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.102032
  5. Heydaryan, K., & Almasi Kashi, M. (2023). Characterization and Magnetic Properties of CoFe2O4 Nanoparticles Synthesized under Gas Atmosphere: Effect of Ferrofluid Concentration on Hyperthermia Properties. Advanced Ceramics Progress, 9(2), 45–52. https://doi.org/30501/acp.2023.402618.1126
  6. Abbasi, H., , Ali Noori, R., & Doudi, M. (2022). Evaluation of the Effect of Titanium Dioxide Nanoparticles on MDR Bacteria In Vitro and Male Wistar Rats Liver In Vivo. Journal of Advanced Materials and Technologies, 11(1), 55–68. [In Persian]. https://doi.org/10.30501/jamt.2021.265267.1149
  7. Hou, Y. H., Zhao, Y. J., Liu, Z. W., Yu, H. Y., Zhong, X. C., Qiu, W. Q., et al. (2010). Structural, electronic and magnetic properties of partially inverse spinel CoFe2O4: a first-principles study. Journal of Physics D: Applied Physics, 43(44), 445003. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/44/445003
  8. Ibrahim, I., Belessiotis, G. V., Elseman, A. M., Mohamed, M. M., Ren, Y., Salama, T. M., & Mohamed, M. B. I. (2022). Magnetic TiO2/CoFe2O4 photocatalysts for degradation of organic dyes and pharmaceuticals without oxidants. Nanomaterials, 12(19), 3290. https://doi.org/10.3390/nano12193290
  9. Jensen, H., Pedersen, J. H., J⊘ rgensen, J. E., Pedersen, J. S., Joensen, K. D., Iversen, S. B., & S⊘ gaard, E. G. (2006). Determination of size distributions in nanosized powders by TEM, XRD, and SAXS. Journal of Experimental Nanoscience, 1(3), 355-373. https://doi.org/10.1080/17458080600752482
  10. Khasawneh, O. F. S., & Palaniandy, P. (2021). Removal of organic pollutants from water by Fe2O3/TiO2 based photocatalytic degradation: A review. Environmental Technology & Innovation, 21, 101230. https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101230
  11. Kordbacheh, F., & Heidari, G. (2023). Water pollutants and approaches for their removal. Materials Chemistry Horizons, 2(2), 139-153. https://doi.org/22128/mch.2023.684.1039
  12. Kumar, R., Qureshi, M., Vishwakarma, D. K., Al-Ansari, N., Kuriqi, A., Elbeltagi, A., & Saraswat, A. (2022). A review on emerging water contaminants and the application of sustainable removal technologies. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 6, https://doi.org/10.1016/j.cscee.2022.100219
  13. Li, C. J., Wang, J. N., Wang, B., Gong, J. R., & Lin, Z. (2012). A novel magnetically separable TiO2/CoFe2O4 nanofiber with high photocatalytic activity under UV–vis light. Materials Research Bulletin, 47(2), 333-337. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.11.012
  14. Liu, X., & Fu, J. (2020). Electronic and elastic properties of the tetragonal anatase TiO2 structure from first principle calculation. Optik, 206, 164342. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164342
  15. Mao, T., Hu, Y., Zha, J., Cheng, Y., Fang, C., & Luo, X. (2024). Research progress of magnetic TiO2 photocatalyst in wastewater treatment. Composite Interfaces, 31(11), 1291-1308. https://doi.org/10.1080/09276440.2024.2338636
  16. Morin-Crini, N., Lichtfouse, E., Liu, G., Balaram, V., Ribeiro, A. R. L., Lu, Z., et al. (2022). Worldwide cases of water pollution by emerging contaminants: a review. Environmental Chemistry Letters, 20(4), 2311-2338. https://doi.org/1007/s10311-022-01447-4
  17. Mourão, H. A., Malagutti, A. R., & Ribeiro, C. (2010). Synthesis of TiO2-coated CoFe2O4 photocatalysts applied to the photodegradation of atrazine and rhodamine B in water. Applied Catalysis A: General, 382(2), 284-292. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2010.05.007
  18. Nanda, K. K., Maisels, A., Kruis, F. E., Fissan, H., & Stappert, S. (2003). Higher surface energy of free nanoparticles. Physical review letters, 91(10), 106102. https://doi.org/1103/PhysRevLett.91.106102
  19. Pang, W., Li, Y., DeLuca, L. T., Liang, D., Qin, Z., Liu, X. et al. (2021). Effect of metal nanopowders on the performance of solid rocket propellants: a review. Nanomaterials, 11(10), 2749. https://doi.org/10.3390/nano11102749
  20. Peiris, S., de Silva, H. B., Ranasinghe, K. N., Bandara, S. V., & Perera, I. R. (2021). Recent development and future prospects of TiO2 Journal of the Chinese Chemical Society, 68(5), 738-769. https://doi.org/10.1002/jccs.202000465
  21. Pournajaf, R., & Hassanzadeh-Tabrizi, S. A. (2018). Polyacrylamide synthesis of nanostructured copper aluminate for photocatalytic application. Journal of Advanced Materials and Processing, 5(4), 12-19. https://sanad.iau.ir/en/Article/981429
  22. Purabgola, A., Mayilswamy, N., & Kandasubramanian, B. (2022). Graphene-based TiO2 composites for photocatalysis & environmental remediation: synthesis and progress. Environmental Science and Pollution Research, 29(22), 32305-32325. https://doi.org/10.1007/s11356-022-18983-9
  23. Sathishkumar, P., Mangalaraja, R. V., Anandan, S., & Ashokkumar, M. (2013). CoFe2O4/TiO2 nanocatalysts for the photocatalytic degradation of Reactive Red 120 in aqueous solutions in the presence and absence of electron acceptors. Chemical engineering journal, 220, 302-310. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.01.036
  24. Upadhyay, R. K., Sharma, M., Singh, D. K., Amritphale, S. S., & Chandra, N. (2012). Photo degradation of synthetic dyes using cadmium sulfide nanoparticles synthesized in the presence of different capping agents. Separation and purification technology, 88, 39-45. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.11.040
  25. Waje, S. B., Hashim, M., Yusoff, W. D. W., & Abbas, Z. (2010). X-ray diffraction studies on crystallite size evolution of CoFe2O4 nanoparticles prepared using mechanical alloying and sintering. Applied Surface Science, 256(10), 3122-3127. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.11.084
  26. Zawadzki, P., Kudlek, E., & Dudziak, M. (2018). Kinetics of the photocatalytic decomposition of bisphenol a on modified photocatalysts. Journal of Ecological Engineering, 19(4). https://doi.org/10.12911/22998993/89651
دوره 14، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 26-36

  • تاریخ دریافت 12 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 07 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 04 شهریور 1404