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Aug 04, 2023

Intrigantes propiedades fisicoquímicas y el impacto de co

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7595 (2023) Citar este artículo

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El óxido de grafeno superparamagnético dopado con N (GO) con nanocables de ZnS se sintetizó mediante un método hidrotermal de un solo paso dopando cantidades diluidas de iones de Ga, Cr, In y Al para aplicaciones biomédicas y de tratamiento de agua. En estos experimentos, para mejorar sus propiedades, se cocopó un 2 % de Ga3+, In3+ o Al3+ junto con un 2 % de iones Cr en estos nanocables de ZnS. El nanocompuesto con la composición In0.02Cr0.02Zn0.96S tiene una mejor eficiencia fotocatalítica que otros nanocompuestos co-dopados. El In (metaloides) y el Cr (ion de metal de transición) son las mejores combinaciones para aumentar las propiedades magnéticas que son beneficiosas para la actividad fotocatalítica. Los materiales nanocompuestos sintetizados se caracterizaron mediante varias técnicas, como la difracción de rayos X, el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) con EDAX, el magnetómetro de muestra vibrante (VSM), UV-Vis, la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectroscopia de fluorescencia. . También se analiza la correlación de propiedades magnéticas intrigantes con sus propiedades fotocatalíticas. Se empleó XPS para la detección de defectos superficiales, transformación de fase y la naturaleza de los componentes químicos presentes en los nanocompuestos. Los defectos de Frankel y de sustitución tienen un impacto directo en la actividad fotocatalítica que se determinó a partir de la espectroscopia de fluorescencia (FL). FL y XPS revelan que el compuesto codopado de Cr e In tiene un mayor porcentaje de defectos, por lo que su eficiencia fotocatalítica alcanza el 94,21%.

Durante la última década, el óxido de grafeno (GO)1,2,3,4,5 y el co-dopaje de metales 3D o metales de tierras raras, no metales y metaloides han recibido una enorme atención debido a su papel clave en la mejora de aquellas propiedades físicas que son aplicables en industrias tales como resistencia a la tracción, movilidad, conductividad, banda prohibida, flexibilidad, estabilidad térmica y química, módulo de young, transparencia óptica, alta electroconductividad, deseable para la producción, etc.6,7. El sulfuro de zinc (ZnS) es un fotocatalizador semiconductor II-VI y ha sido ampliamente estudiado porque aparece en varias morfologías a nanoescala, exhibe excelentes propiedades físicas y también tiene propiedades fotocatalíticas únicas. Sin embargo, hay pocos informes disponibles en la literatura sobre la sustitución conjunta con iones Cr3+ en ZnS8,9. El Cr (VI) es un metal pesado y también altamente tóxico, mientras que el Cr (III) no es tóxico y es útil para los seres humanos. Por lo tanto, además de eso, se usaron nanoláminas de óxido de grafeno para ajustar la banda prohibida de ZnS puro desde la región UV a la región visible para utilizar más energía solar10. El TiO2 es el material nanoestructurado más utilizado11. Sin embargo, en aplicaciones ambientales, el ZnS puro tiene una mayor eficiencia teórica en la generación de fotoportadores que el TiO212. Además, los nanocristales de semiconductores cosustituidos tienen una mejor capacidad para impartir nuevas aplicaciones tecnológicas y son beneficiosos para diversas propiedades en comparación con el material de nanocristal puro. Se corroboró explícitamente que la sustitución conjunta es una herramienta más eficaz que el dopaje de un solo metal/no metal/metaloides en nanocristales huésped que se utilizan para mejorar las propiedades del fotocatalizador13. En principio, la morfología, los defectos estructurales y los defectos superficiales de los sulfuros metálicos y los nanocompuestos de sulfuro metálico de grafeno juegan un papel vital en el control de las propiedades de transporte, la estabilidad química y térmica y los movimientos excitónicos. Suvanka Dutta et al.14 y Gajendiran et al.15 informaron que las propiedades de la morfología mixta de las muestras preparadas son más importantes que su homogeneidad y las muestras monocristalinas.

A partir de los datos presentados en la Tabla 1S (EIS), es evidente que el ZnS co-dopado tiene mejores resultados que los nanomateriales de ZnS dopados con un solo metal. El presente estudio se centra en los efectos del co-dopaje de iones Ga3+/In3+/Al3+ al 2 % junto con iones Cr3+ al 2 % en los nanocables de ZnS adornados con GO y sus propiedades fotocatalíticas. Después del co-dopaje de metaloides en la red de ZnS, se formaron más defectos que llevaron a una mayor eficiencia de degradación del tinte fotocatalítico. El impacto directo de los defectos en la eficiencia de la actividad fotocatalítica se analiza en detalle.

En este trabajo, hemos utilizado nanoláminas GO para la aplicación de actividad fotocatalítica. Se siguió el procedimiento de síntesis según la publicación anterior16 sin más proceso de recocido. GO se ha preparado con éxito a partir de piedra de carbón. Se añadió tioura a la solución antes mencionada en una proporción de 1:2 después de disolver el polvo GO en agua DI. A la solución se le dio un tratamiento ultrasónico de 30 min. La muestra se colocó en un autoclave de acero inoxidable y se selló después de ser sonicada. Durante 3 h, se mantuvo un autoclave sellado en un horno a 90 °C. El autoclave se enfrió a temperatura ambiente, la solución se filtró, se lavó varias veces en agua DI y se secó a temperatura ambiente. Luego, el producto final fue GO dopado con N que se secó a 60 °C17,18,19.

Nanocables de ZnS adornados con óxido de grafeno cosustituidos con 2% de Ga3+/In3+/Al3+ y 2% de iones Cr3+ preparados mediante la técnica hidrotermal. Soluciones homogéneas de compuestos de sal de Zn, Cr, Ga, In y Al, con S2− como anión precipitante formado por la descomposición de Tiourea. Los nanocables GZ (GO:ZnS) se prepararon usando dihidrato de acetato de zinc 1 M, tiourea 3 M y 0,2 g de óxido de grafeno que se disolvieron por separado en 15 ml de agua DI y 15 ml de etilendiamina (1:1) en cada vaso de precipitados. La solución de dihidrato de acetato de zinc se colocó en el agitador magnético para agitación constante hasta obtener una solución transparente al 100%. Se aplicó el mismo procedimiento a cada solución. Una vez formada la solución homogénea, se añadió la primera tiourea a la solución de acetato de zinc y se agitó durante 20 min, y luego se añadió la solución de óxido de grafeno a la solución anterior. La solución se agitó constantemente durante 2 h mientras se mantenía un pH de 10 mediante la adición de amoníaco gota a gota. La solución homogénea se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido con teflón y se selló cuidadosamente. El autoclave sellado se mantuvo a 190 °C en un horno de mufla durante 12 h. El sistema se enfrió a temperatura ambiente y el precipitado formado se filtró y lavó varias veces con agua DI y etanol. El precipitado lavado se secó a temperatura ambiente antes de calcinarlo durante la noche a 60 °C. Para la preparación de nanocompuestos se utilizaron acetato de zinc dihidratado 0.96 M, cloruro de galio/cloruro de indio 0.02 M y cloruro de aluminio 0.02 M de cloruro de cromo y tiourea 3 M. El procedimiento anterior se siguió para los nanohilos de ZnS decorados con óxido de grafeno sustituidos con 2% de Ga3+/In3+/Al3+ con 2% de Cr3+. Los nanocables de ZnS adornados con óxido de grafeno (GO) se denominan GZ, GZ dopado con 4 % de Cr como GZ:Cr, y cosustituidos con iones de Ga3+/In3+/Al3+ al 2 % y iones de Cr3+ al 2 % en GZ como GZ:Cr-Ga, GZ:Cr -In y GZ:Cr-Al respectivamente.

Ningún animal fue usado o dañado en la investigación o experimentación de este manuscrito.

Los parámetros cristalográficos, como los parámetros de red, el tamaño de los cristalitos, el volumen, la densidad de dislocación, la microdeformación, las fallas de apilamiento, el parámetro 'u', la longitud del enlace y la relación c/a se obtuvieron mediante la técnica XRD y se muestran en la Tabla 1. La estructura cristalina de Wurtzita de nanocompuestos de muestra tal como se prepararon se verificó mediante la técnica XRD que se muestra en la Fig. 1 y coincidió bien con JCPDS 36-1450. Los picos de los nanocompuestos GZ se encuentran a 26° (100), 28° (002), 30° (101), 39° (102), 47° (110), 51° (103) y 56° (200) , y el pico de óxido de grafeno se nota para GZ:Cr-Ga y GZ:Cr a 10°, pero notablemente, el pico de GO no se observa en otros nanocompuestos debido a la baja cristalinidad o baja intensidad de difracción de GO. La observación de que el pico de óxido de grafeno (GO) está ausente en los espectros XRD de los nanocompuestos GZ, GZ:Cr-In y GZ:Cr-Al puede deberse a que el óxido de grafeno es una forma oxidada de grafeno y tiene funciones que contienen oxígeno. grupos en su superficie. Estos grupos funcionales se pueden reducir para formar grafeno, que no tiene estos grupos. Durante el proceso de síntesis de los nanocompuestos GZ, GZ:Cr-In y GZ:Cr-Al, se produjo la reducción de GO a grafeno, lo que provocó la ausencia del pico GO en los espectros XRD20. Una posible razón de la ausencia del pico GO en estas muestras podría ser la presencia de otros compuestos en los nanocompuestos que podrían enmascarar el pico GO en los espectros XRD. Por ejemplo, en GZ, la estructura cristalina de ZnS podría ser dominante y la presencia de grafeno podría ser difícil de detectar. Esto está respaldado por el hecho de que el pico GO se observó en los espectros XRD de los nanocompuestos GZ:Cr y GZ:Cr-Ga, donde los dopantes pueden no haber sido suficientes para enmascarar el pico GO. En general, la ausencia o presencia del pico GO en los espectros XRD de los nanocompuestos podría deberse a la reducción de GO o al efecto de enmascaramiento de otros compuestos causado por la incorporación de elementos dopantes21,22. La cristalinidad disminuye después de la sustitución conjunta de los iones metaloides en la red de ZnS. Este efecto sugiere que la sustitución conjunta de iones metaloides en la red de ZnS ha tenido éxito. Mientras que la densidad de dislocación, la microdeformación y las fallas de apilamiento son opuestas, lo que significa que el tamaño de los cristalitos aumentó con la disminución de la densidad de dislocación, la microdeformación y las fallas de apilamiento.

Gráficos XRD de (a) nanocables GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In y GZ:Cr-Al, y (b) vista ampliada entre el ángulo de 27,5° y 29,5°.

Los parámetros de red a y c para los nanocables de wurtzita ZnS se calcularon utilizando la siguiente fórmula23,24.

Existe una diferencia significativa en la estructura cristalina después de la sustitución conjunta de metaloides en los sitios de la red de ZnS. Se empleó la fórmula de Debye Scherrer para calcular el tamaño medio de los cristalitos. Además, cuando se sustituye un elemento extraño con un radio iónico diferente en la red de ZnS, se confirma un cambio en el tamaño de los cristalitos25.

El tamaño del volumen de exposición puede ayudar a garantizar que se incluya una cantidad estadísticamente significativa de granos en el patrón de difracción. Esto indica que la intensidad del pico de difracción integrado es proporcional al volumen del material. El volumen de las muestras preparadas se evaluó utilizando la siguiente fórmula26.

Las fallas de apilamiento pueden aparecer en un cristal como resultado de una deformación plástica o solidificación. Una estructura cristalina ideal de wurtzita se puede considerar como una de una serie de planos de apilamiento, y se encuentran fallas de apilamiento en las muestras si no se sigue con precisión el orden de la secuencia de los planos de apilamiento. Se observan cambios de pico y ensanchamiento del pico debido a la presencia de fallas de apilamiento, cambios en el parámetro de la red y tensión residual. En la microdeformación, el factor a considerar es la disminución general de las características de la red cuando el ion más grande se reemplaza parcialmente por el más pequeño. Provoca un cambio en la estructura interna, la forma y el volumen a escala microscópica en la red cristalina. El método de suposición de los dopantes de cointegración en la red de ZnS, que está envuelta en nanoláminas de óxido de grafeno delgadas, como una fuente de defectos extendidos provocados por el desajuste de la red (dislocaciones inadaptadas), como se muestra en la Fig. 2. El número de dislocaciones por unidad de volumen de un material cristalino se mide por la densidad de dislocaciones. A partir de las siguientes ecuaciones, se analizaron las características de los cristalitos de todas las muestras, la densidad de dislocación, la microdeformación y las fallas de apilamiento existentes16.

El esquema que muestra la dislocación en muestras preparadas bajo estrés y tensión.

A partir de la siguiente fórmula, se calculó el parámetro 'u' del ZnS estructurado con wurtzita

La longitud del enlace es proporcional al orden del enlace: un enlace más fuerte será más corto si en su creación participó una gran cantidad de electrones. La longitud del enlace está inversamente relacionada con la fuerza del enlace y la energía de disociación del enlace: un enlace más fuerte será más pequeño si todos los demás parámetros son iguales. La longitud del enlace (L) se analizó utilizando la siguiente fórmula27.

La espectroscopia de reflectancia UV-Vis determina las propiedades ópticas, como la banda prohibida, de las muestras de semiconductores preparadas. Los espectros de reflectancia se registraron en el rango de 200 nm a 750 nm y reflejan las bandas en la región visible que se muestran en la Fig. 3. Se corroboró explícitamente que las muestras sintetizadas absorben la máxima luz solar al reducir la banda prohibida en el región visible. Las muestras preparadas se diseñaron en una forma que es la más adecuada para reducir la banda prohibida mediante la sustitución simultánea de diferentes metaloides y la adición de óxido de grafeno en la red de ZnS. Las muestras de ZnS generadas mostraron absorción electrónica en la región UV de la luz, según Fariba Soleimani et al.28, pero las muestras de ZnS en este estudio se modificaron de tal manera que muestran absorción óptica en la región visible de la luz. La banda prohibida observada es 1,72, 1,99, 1,77, 2,01, 1,69 y 1,60 eV para GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In, GZ:Cr-Al y GO, respectivamente.

Espectros de reflectancia UV-Vis con recuadros que muestran los diagramas de banda prohibida de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In, (e) GZ:Cr-Al , (f) IR.

Se empleó microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) para intervenir la morfología de las muestras preparadas. Mientras que las morfologías mixtas ofrecen más ventajas que las estructuras monocristalinas, el trabajo actual se centra en los nanocables de ZnS cosustituidos adornados con GO para la modificación de la superficie a fin de mejorar las actividades fotocatalíticas. Los nanocompuestos de ZnS tienen morfología de nanocables en varias formas, mientras que GO tiene una morfología de nanoláminas que se muestra en la Fig. 4. Han Zhang et al.29 informaron que sus resultados muestran que las microesferas de TiO2 producidas hidrotérmicamente con morfologías de margarita, bipirámide y esfera, pero entre ellos, la morfología de microesferas en margarita ha exhibido el mejor rendimiento de fotoexcitación para la degradación directa del colorante azul, 2,3 veces mayor que el TiO230 comercial. En muestras de GZ y GZ:Cr, el bosque de nanocables tomó la forma de una morfología esférica. Sin embargo, en GZ:Cr-Ga y GZ:Cr-In había nanocables monocristalinos mientras que GZ:Cr-Al muestra una morfología de estructura cristalina diáfana.

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

Las composiciones químicas de las muestras sintetizadas se determinaron mediante la técnica EDAX, que verifica un porcentaje exacto de un elemento en la muestra. Se corroboró que la existencia de carbono y oxígeno en las muestras se debe a la adición de GO a la red de ZnS. Los metales sustituidos tienen concentraciones más bajas es decir 2% de cada metal pero después de la reacción, debido a la solubilidad, su concentración disminuye, por lo tanto, el porcentaje atómico de algunos elementos muestra ser 0.00%. EDAX muestra el porcentaje atómico elemental que es igual o superior al 2% del peso atómico. El porcentaje atómico elemental de las respectivas muestras de nanocompuestos se representó en la Fig. 5.

Espectros EDAX de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In, (e) GZ:Cr-Al y (f) GO muestras.

En las últimas dos décadas, ha habido un enorme interés en la actividad fotocatalítica, pero no se ha desarrollado tal desarrollo en el área de la degradación realista del tinte por un solo fotocatalizador bajo la irradiación de la luz solar. Muchos investigadores se han centrado en la fotodegradación de un tinte, su eficiencia y los mecanismos de reacción. Sin embargo, no existen estudios para optimizar varios parámetros físicos y químicos para degradar varios colorantes mixtos por un solo fotocatalizador. Por lo tanto, hemos desarrollado un único fotocatalizador que puede degradar muchos tintes de colores. Se han fabricado tintes de distintos colores basados ​​en la teoría del color. La teoría del color sugiere que uno puede formar varios colores, principalmente azul, amarillo y rojo. Para la fotodegradación se utilizan colorantes azul de metileno (azul), paranitrofenol (amarillo), naranja de metilo (naranja), triofeleno (rojo) y rojo Congo (rojo).

La banda prohibida, la morfología, el tamaño de las partículas, las imperfecciones superficiales, la cristalinidad, el área superficial, la estabilidad térmica y química tienen todos los parámetros que influyen en el rendimiento fotocatalítico. Podría mejorarse optimizando la banda prohibida, los defectos superficiales y la morfología para la recombinación de pares de electrones y huecos fotogenerados, reduciendo la longitud de onda de excitación y aumentando el número de especies de reactivos adsorbidos en la superficie. Se estudió el desarrollo de una banda prohibida reducida para la absorción de luz visible, así como la modificación de la superficie para la recombinación de pares de electrones y huecos fotogenerados, para mejorar la eficiencia fotocatalítica. Se eligieron los colorantes azo azul de metileno (MB), paranitrofenol (PNP), naranja de metilo (MO), congo rad (CR) y trifenileno (TP) como la degradación de colorante mixto para investigar la actividad fotocatalítica del preparado. muestras de nanocompuestos.

Hemos sintetizado cinco muestras de nanocompuestos para intervenir en la actividad fotocatalítica del colorante mixto. La eficiencia fotocatalítica se calcula mediante la siguiente fórmula (9):

mientras que los valores de C0 (100% de concentración de colorante) fueron los iniciales (en t = 0) y C100 (concentración remanente de colorante después de la degradación) que fue el final (en t = 120 min). Los nanocompuestos de GZ, GZ:Cr, GZ:Cr-Ga, GZ:Cr-In, GZ:Cr-Al y GO tienen eficiencias fotocatalíticas de 91.32, 87.96, 93.06, 94.21, 92.44 y 83.81% para I ciclo respectivamente representado en la Fig. 6. El nanocompuesto GZ:Cr-In exhibe la mayor eficiencia fotocatalítica que otros nanocompuestos. Estas eficiencias calculadas demostraron que la co-sustitución es una mejor opción que la simple fotocatálisis de semiconductores. Después de completar los cinco ciclos, hubo una reducción en la eficiencia fotocatalítica pero la estabilidad química después de cinco ciclos fue buena. Además de la eficiencia, había un parámetro más que es muy importante en la fotocatálisis y es decir, la constante de velocidad que se calculó mediante la siguiente fórmula (10):

La eficiencia fotocatalítica (%) obtenida para 5 ciclos de todos los nanocompuestos.

Aquí C0 en el tiempo t = 0 min y Ct en el tiempo = 120 min, respectivamente, y k es la constante de velocidad de pseudoprimer orden. La constante de velocidad (k) se verificó a partir de la pendiente de \(\mathrm{log}\frac{{C}_{0}}{{C}_{t}}\) versus el tiempo de irradiación como se muestra en la Fig. 7 La constante de velocidad verificada de las muestras de nanocompuestos sintetizados se tabuló en la Tabla 2. A partir de los valores de las eficiencias fotocatalíticas y la constante de velocidad, se verificó explícitamente que el nanocompuesto GZ:Cr-In era el mejor fotocatalizador en comparación con otras muestras de nanocompuestos para la degradación. de tintes mixtos que se representa en la Fig. 1S (ESI).

Gráficos de (a) tiempo (min) frente a Log C0/Ct y (b) tiempo (min) frente a C/C0 para las muestras.

Para comprender el mecanismo de la actividad fotocatalítica en estos nanocompuestos, se empleó XPS para extraer información sobre los defectos superficiales, la transformación de fase y la naturaleza de los componentes químicos presentes en los nanocompuestos. Para la determinación de los defectos de la superficie, generalmente se utiliza la espectroscopia de fotoluminiscencia, pero un informe actual ha calculado los defectos de la superficie a partir de la técnica XPS debido a la presencia de GO en la superficie de los nanocables de ZnS. Los defectos superficiales totales en porcentaje se calcularon a partir del carbono no conjugado y el pico de vacancia31 que se representa en la Fig. 8. La Tabla 3 explica el área (%) bajo la curva respectiva y, a partir de esos datos, se analizaron los defectos superficiales. El primer pico de ajuste gaussiano representa las vacantes presentes en las muestras preparadas, mientras que el segundo pico de ajuste gaussiano indica el grupo funcional C=C sp2. El tercer pico gaussiano está por debajo de los C 1 y representa el carbono no conjugado que también participó en el estudio de defectos superficiales. Los picos gaussianos cuarto, quinto y sexto representan los grupos funcionales C–OH, C–O–C y C=O respectivamente. De la Tabla 2S (ESI), el % de elementos presentes en las muestras de nanocompuestos preparados revela que los nanocompuestos de GZ:Cr-In tienen elementos de azufre, nitrógeno y oxígeno. superior a otras muestras. Más vacantes de oxígeno mejoraron la actividad fotocatalítica, mientras que un GO dopado con alto % de N también tiene mejores propiedades fotocatalíticas y físicas que el GO prístino. La sustitución conjunta de un 2 % de Ga3+/In3+/Al3+ junto con un 2 % de iones Cr3+ en la red de ZnS fue satisfactoria y se verificó a partir de espectros XPS de metales cosustituidos. Los espectros de barrido completo se representan en la Fig. 2S (ESI) y todos los metales estaban presentes como muestras de nanocompuestos sintetizados que se representan en la Fig. 3S (ESI).

Picos ajustados gaussianos de espectros C 1 s de (a) GZ, (b) GZ:Cr, (c) GZ:Cr-Ga, (d) GZ:Cr-In y (e) GZ:Cr-Al.

La espectroscopia de fluorescencia revela los defectos intrínsecos, de vacancia, de sustitución y de Frankel que juegan un papel vital en la mejora de las propiedades y la actividad fotocatalítica de las muestras preparadas que se muestran en la Fig. 9. La correlación entre XPS, características estructurales (XRD) y espectroscopia de fluorescencia explicar por qué las muestras sintetizadas tienen una alta eficiencia fotocatalítica. Debido a la presencia de defectos de sustitución y de Frankel (una combinación de defectos intersticiales y vacantes), el GZ:Cr-In tiene la eficiencia fotocatalítica más alta. La muestra de GZ:Cr-In tiene más defectos en los datos porque Cr, Ga y Al tienen radios iónicos más bajos que el elemento huésped Zn, mientras que In tiene un radio iónico mayor que Zn. A partir de los espectros de fluorescencia representados en la Fig. 10, se observó que el pico de emisión de banda fuerte se produjo a 380 nm, mientras que el pico de banda de estado de defectos se observó a 450 nm (emisión violeta-azul) y 550 nm (emisión verde-amarillo). representa que se ha producido un cambio en las muestras preparadas. Debido a ese cambio, la naturaleza magnética de GO y GZ cambió de comportamiento diamagnético a superparamagnético. El pico de emisión rojo ocurrió a 760 nm donde la mayor intensidad para GZ: Cr-In se debió a su mayor radio iónico y la formación de una gran cantidad de defectos de sustitución y vacantes en su sitio de red. Debido a la mayor intensidad del defecto y el pico de emisión de la banda, había más defectos en la muestra GZ: Cr-In. A partir de los espectros XPS, se elaboraron los defectos que coinciden bien con los datos de fluorescencia y XRD porque en las muestras GZ: Cr y GZ: Cr-Ga tienen defectos debido al carbono no conjugado. De XRD, estas dos muestras tienen el pico adicional de GO, por lo tanto, los defectos del carbono no conjugado se formaron aquí de manera más cuantitativa. El azufre intersticial es el principal culpable de la fuerte emisión de banda cercana. La vacante de azufre y los defectos de la red intersticial producidos por elementos de bajo radio iónico como Cr, Ga y Al en los nanocristales de ZnS, que son esenciales para la actividad fotocatalítica, pueden ser responsables de la emisión violeta-azul. La emisión verde-amarilla es causada por centros de defectos autoactivados vinculados a vacantes de Zn y un radio iónico mayor de In.

El defecto de Frankel y el defecto de sustitución ocurrieron debido a Cr/Ga/Al e In en la red de ZnS.

( a ) Espectros de fluorescencia de muestras preparadas, ( b ) diagrama de zoom en el rango de 725–790 nm.

El tamaño de partícula y las morfologías de los nanocompuestos producidos tienen un impacto en la actividad fotocatalítica. El área superficial de las partículas más pequeñas es mayor y este es uno de los parámetros que pueden influir en la eficacia de la fotodegradación. Se desarrollaron nanoesferas tridimensionales para la eficiencia fotocatalítica en un trabajo de investigación anterior, y se encontró que la eficiencia era del 84 %. La primera vez que intentamos interpretar los nanocables unidimensionales para mejorar la eficiencia fotocatalítica. Se cultivaron nanocables en la superficie de las esferas, y la morfología mixta superó a la pura en términos de eficiencia de fotodegradación. Los nanocables fueron adornados por GO con un diámetro más pequeño y una mayor longitud para mejorar la porosidad y el área superficial. Debido a que las longitudes y los diámetros de los nanocables eran diversos para distintas muestras de nanocompuestos, se produjo una saturación de la eficiencia. El GO se encontró en la superficie de los nanocables, por lo que se observó una mejora en los sitios activos de las muestras de nanocompuestos.

Los investigadores están estudiando dos métodos para mejorar la eficiencia fotocatalítica. En el primer método, están creando un catalizador mejorado con un rendimiento fotocatalítico sobresaliente para que las tasas de consumo de fotones puedan aumentar. En el segundo método, se pueden alterar las circunstancias de la reacción para aumentar la eficiencia fotocatalítica. Por ejemplo, al proporcionar un campo eléctrico, se puede modificar drásticamente el mecanismo de transporte de portadores fotoinducidos, mejorando así la eficiencia fotocatalítica32. Para un rendimiento fotocatalítico excepcional, hemos elegido la primera técnica con ciertas modificaciones, a saber, la sustitución conjunta de metaloides basada en GO dopada con N superparamagnético en nanocables de ZnS para tasas de consumo de fotones más altas. Este trabajo será la base para una futura conexión entre estos enfoques y métodos para mejorar la actividad fotocatalítica. El comportamiento superparamagnético se debe a la energía térmica que provoca una rápida inversión del momento magnético total en las nanopartículas de un solo dominio. Un estudio sugiere que las muestras de nanocompuestos se activaron como nanocompuestos superparamagnéticos cuando se expusieron a la luz solar durante la fotocatálisis.

Esto se debe a la anisotropía del GO dopado con N, que aumenta la relación área superficial/volumen y beneficia la actividad fotocatalítica. Nanohilos de ZnS para aplicaciones fotocatalíticas. La mejora de la eficiencia fotocatalítica se logró mediante la sustitución conjunta de tres metaloides con Cr en una red de ZnS. Chaitanya Kumar et al.33 estudiaron el efecto del co-dopaje de Sn y Ni en algunas propiedades físicas de las nanopartículas y películas delgadas de ZnS, y encontraron que la banda prohibida y la magnetización se redujeron después del co-dopaje. Neetu Bansal et al. observaron que la banda prohibida mejoraba después del co-dopaje de Mn2+ y Cu2+ en la red de ZnS34. Kavi Rasua et al. investigó el efecto del co-dopaje de Pd2+ y Mn2+ en la red de ZnS que redujo la banda prohibida después del co-coping35. Pero estos informes son sobre redes cúbicas de ZnS y no han funcionado para la actividad fotocatalítica. Pero el presente trabajo contribuye al efecto de la co-sustitución de distintos metales en la red de ZnS para aplicaciones fotocatalíticas. En los parámetros estructurales se observaron cambios debido a los diversos radios iónicos de distintos metaloides. Hemos obtenido resultados muy interesantes sobre la co-sustitución en la red de ZnS para propiedades magnéticas, ópticas, químicas, morfológicas y térmicas también.

La eficiencia fotocatalítica mejoró después de la sustitución conjunta de metaloides con Cr3+ en la red de ZnS porque se descubrieron defectos intersticiales, vacantes y de sustitución en una muestra preparada, lo que proporciona evidencia directa de la mejora de la eficiencia fotocatalítica. Por ejemplo, los defectos de sustitución pueden introducir nuevos sitios activos para las reacciones fotocatalíticas, mientras que los defectos de Frankel pueden aumentar el número de portadores de carga disponibles para el proceso fotocatalítico cuando una vacante catiónica es adyacente a una vacante aniónica. Las impurezas, las vacantes y el desorden anti-sitio se pueden utilizar para mejorar la actividad fotocatalítica de ZnS al actuar como centros de recombinación para fotoportadores, lo que da como resultado un aumento en la concentración de portadores de carga y, por lo tanto, una mejora en la actividad fotocatalítica. Los defectos intersticiales, de vacancia y de sustitución son directamente proporcionales a la mejora en la eficiencia fotocatalítica, y la presencia de defectos se investigó a partir de FL y XPS. Debido a la existencia de defectos, las muestras tenían portadores de carga adicionales y nuevos sitios activos que participan en la reacción y aumentan el valor de la primera Pseudovelocidad constante de orden y la eficiencia fotocatalítica.

Se prepararon con éxito muestras de ZnS puro adornado con GO dopado con nitrógeno, ZnS sustituido con 4 % de Cr y 2 % de Ga3+/In3+/Al3+ cosustituido con iones de Cr3+ al 2 % en nanocables de ZnS porosos basados ​​en GO mediante un método hidrotermal de un solo paso para aplicaciones fotocatalíticas y biomédicas. Se observó un cambio drástico en la brecha de banda de energía a partir de la espectroscopia de reflectancia UV-Vis e ilustró que los nanocables preparados son capaces de absorber más luz visible. XPS y FL investigaron que la presencia de defectos es una prueba directa de la mejora de la eficiencia fotocatalítica. Por lo general, en la purificación del agua, los materiales a base de Zn liberan grandes cantidades de iones de Zn con efectos potencialmente tóxicos. En nuestro caso, menos cantidad de Zn reacciona directamente con los tintes en las aguas residuales porque los nanocables de ZnS fueron decorados por las láminas de grafeno, por lo tanto, la superficie superior es de óxido de grafeno que es poroso y no tóxico. Describimos que las moléculas de ZnS están unidas entre nanoláminas de óxido de grafeno con estructura de panal, por lo que no se liberan después del procedimiento de degradación del tinte. Se verificó que la GO prístina no es adecuada para la actividad fotocatalítica debido a su propiedad de ingravidez. Debido a su menor peso, se reduce la reciclabilidad de dicho polvo, por lo que se sustituye el GO como elemento aditivo por ZnS. Hay muchas aplicaciones intrigantes provocadas por la introducción de nanomateriales GO/ZnS y GO superparamagnéticos que exhiben una estructura superparamagnética, incluida la administración de fármacos dirigidos, imágenes por resonancia magnética, hipertermia magnética y termoablación, bioseparación y biodetección.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementarios].

Wang, Y., Wang, H., Zhang, TC, Yuan, S. y Liang, B. Carbón poroso dopado con N derivado de compuestos de polifenilendiamina incorporados por rGO para adsorción de CO2 y supercondensadores. J. Fuentes de alimentación 472, 228610. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228610 (2020).

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Xiao, J., Wang, Y., Zhang, TC y Yuan, S. Compuestos de carbono poroso rGO/N para mejorar la captura de CO2 y el almacenamiento de energía. J. Aleaciones Compd. 857, 157534. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157534 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Dimiev, AM, Alemany, LB & Tour, JM Óxido de grafeno. Origen de la acidez, su inestabilidad en el agua y un nuevo modelo estructural dinámico. ACS Nano 7, 576–588. https://doi.org/10.1021/nn3047378 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Jiang, Y., Guo, F., Liu, Y., Xu, Z. & Gao, C. Impresión tridimensional de materiales basados ​​en grafeno para almacenamiento y conversión de energía. SusMat 1, 304–323. https://doi.org/10.1002/sus2.27 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Wang, C., Huang, M. & Ruoff, RS 'Tinta' de aerogel de óxido de grafeno a temperatura ambiente y estructuras ordenadas mediante moldeo por congelación. Carbono 183, 620–627. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.07.046 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Papageorgiou, DG, Kinloch, IA y Young, RJ Propiedades mecánicas del grafeno y nanocompuestos a base de grafeno. prog. Materia Sci. 90, 75–127. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Smith, AT, LaChance, AM, Zeng, S., Liu, B. & Sun, L. Síntesis, propiedades y aplicaciones del óxido de grafeno/óxido de grafeno reducido y sus nanocompuestos. Nano Materia. ciencia 1, 31–47. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.004 (2019).

Artículo Google Académico

Zhai, HY & Zou, H. Síntesis de nanomateriales de ZnS co-dopados con Cr, Ag y su capacidad de adsorción para colorantes reactivos. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi/Spectrosc. espectro Anal. 37, 2638–2644. https://doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2017)08-2638-07 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Rabbani, SF & Banu, IBS Ferromagnetismo semimetálico en (Mn, Cr) semiconductor magnético diluido de ZnS codopado: cálculos de primeros principios. computar Mate. ciencia 101, 281–286. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.01.043 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, Y., Zhang, N., Tang, Z.-R. & Xu, Y.-J. El grafeno transforma ZnS de banda ancha en un fotocatalizador de luz visible. El nuevo papel del grafeno como fotosensibilizador macromolecular. ACS Nano 6, 9777–9789. https://doi.org/10.1021/nn304154s (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ouyang, L., Zhang, Y., Wang, Y., Wang, X. & Yuan, S. Información sobre los comportamientos de adsorción y oxidación fotocatalítica de nanocompuestos de TiO2/g-C3N4 dopados con boro hacia As(III) en solución acuosa . Ing. Ind. química Res. 60, 7003–7013. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00509 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Hong, Y. et al. Influencia de la integridad de la red y la composición de fase en la eficiencia de producción de hidrógeno fotocatalítico de nanomateriales de ZnS. Nanoescala 4, 2859–2862. https://doi.org/10.1039/C2NR30150D (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Sharma, PK & Pandey, OP Actividad fotocatalítica mejorada con dopaje de iones metálicos y co-dopaje en nanopartículas de CeO2. Ciencia del estado sólido 126, 106846. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106846 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Dutta, S., Chatterjee, S., Mukherjee, I., Saha, R. y Singh, BP Fabricación de esferas huecas de ZnS y nanocompuestos RGO-ZnS utilizando cisteamina como nueva fuente de azufre: rendimiento fotocatalítico en tintes y efluentes industriales. Ing. Ind. química Res. 56, 4768–4778. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b00107 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Gajendiran, J. et al. Propiedades estructurales, ópticas y fotocatalíticas de nanoestructuras esféricas/en escamas de ZnS mediante procesos hidrotermales asistidos por azúcar. química física Letón. 754, 137639. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2020.137639 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Dake, DV et al. Rendimiento fotocatalítico de nanocompuestos de β ZnS sustituidos con Cr a base de grafeno. aplicación física A 128, 276. https://doi.org/10.1007/s00339-022-05407-1 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kuyuldar, E. et al. Catalizadores de PtRunano basados ​​en óxido de grafeno funcionalizados con tiourea monodispersa para la oxidación de alcoholes. ciencia Rep. 10, 7811. https://doi.org/10.1038/s41598-020-64885-6 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramesh, S. et al. Materiales porosos de óxido de grafeno dopado con nitrógeno @ SnO2 electrodo para aplicación de supercondensador capaz. ciencia Rep. 9, 12622. https://doi.org/10.1038/s41598-019-48951-2 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chang, Y.-S., Chen, F.-K., Tsai, D.-C., Kuo, B.-H. y Shieu, F.-S. Óxido de grafeno reducido dopado con N para sensores de gas NO a temperatura ambiente. ciencia Rep. 11, 20719. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99883-9 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Krishnamoorthy, K., Veerapandian, M., Yun, K. & Kim, SJ El análisis químico y estructural del óxido de grafeno con diferentes grados de oxidación. Carbono 53, 38–49. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.10.013 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Huang, L., Liu, H., Wang, Y., Zhang, TC y Yuan, S. Construcción de heterounión ternaria Bi2O3/biochar/g-C3N4 para acelerar la separación de portadores fotoinducida para mejorar la fotodegradación de tetraciclina. aplicación Navegar. ciencia 616, 156509. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156509 (2023).

Artículo CAS Google Académico

Liu, H., Huo, W., Zhang, TC, Ouyang, L. y Yuan, S. Eliminación fotocatalítica de tetraciclina mediante una heterounión de esquema Z de oxiyoduro de bismuto/g-C3N4 exfoliado: rendimiento, mecanismo y vía de degradación. Mate. Hoy Química. 23, 100729. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100729 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Dake, DV et al. Inferir las propiedades físicas de las nanovarillas y nanoflores de ZnO sustituidas con La para la fotodegradación del colorante azo rojo Congo. J.Mater. ciencia Mate. Electrón. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06969-1 (2021).

Artículo Google Académico

Raskar, N. et al. Desarrollo de vacantes de oxígeno y defectos superficiales en nanoflores de ZnO dopadas con Mn para mejorar la actividad fotocatalítica de la luz visible. SN Apl. ciencia 2, 1403. https://doi.org/10.1007/s42452-020-3053-0 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Dake, DV et al. Exploración del papel de los defectos en diversas propiedades de nanoestructuras de ZnS sustituidas con Cr para aplicaciones fotocatalíticas. aplicación física A 126, 640. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03669-1 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Mote, V., Dargad, J. & Dole, B. Efecto de la concentración de dopaje de Mn en estudios estructurales, morfológicos y ópticos de nanopartículas de ZnO. Nanosci. Nanoeng. 1, 116–122. https://doi.org/10.13189/nn.2013.010204 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Raskar, ND et al. Síntesis en un solo paso de nanobarras de ZnO dopadas con Mn cultivadas verticalmente para aplicación fotocatalítica. J.Mater. ciencia Mate. Electrón. 30, 10886–10899. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01433-7 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Soleimani, F. & Nezamzadeh-Ejhieh, A. Estudio de la actividad fotocatalítica del nanocompuesto CdS-ZnS en la fotodegradación de rifampicina en solución acuosa. J. Mercado. Res. 9, 16237–16251. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.091 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, H., Zhang, H., Zhu, P. y Huang, F. Efecto morfológico en la degradación fotocatalítica del azul directo sobre catalizadores mesoporosos de TiO2. ChemistrySelect 2, 3282–3288. https://doi.org/10.1002/slct.201601346 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Nguyen-Phan, T.-D. & Shin, EW Efecto morfológico de los catalizadores de TiO2 en la degradación fotocatalítica del azul de metileno. J. Ind. Ing. química 17, 397–400. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2011.05.013 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Ganesan, K. et al. Estudio comparativo de estimación de defectos mediante espectroscopía XPS y Raman en estructuras nanografíticas de pocas capas. física química química física 18, 22160–22167. https://doi.org/10.1039/C6CP02033J (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bian, Y., Zheng, G., Ding, W., Hu, L. y Sheng, Z. Efecto del campo magnético sobre la degradación fotocatalítica del naranja de metilo por el polvo comercial de TiO2. RSC Avanzado. 11, 6284–6291. https://doi.org/10.1039/D0RA08359C (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kumar, KC & Kaleemulla, S. Efecto del co-dopaje (Sn, Ni) en las propiedades estructurales, ópticas y magnéticas de las nanopartículas y películas delgadas de ZnS. Mate. ciencia Semisegundo. Proceso. 104, 104692. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104692 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Bansal, N., Mohanta, GC y Singh, K. Efecto del co-dopaje de Mn2+ y Cu2+ en las propiedades estructurales y luminiscentes de las nanopartículas de ZnS. Cerámica. En t. 43, 7193–7201. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.007 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Kavi Rasu, K., Sakthivel, P. y Prasanna Venkatesan, GKD Efecto del co-dopaje de Pd2+ en las propiedades estructurales y ópticas de las nanopartículas de Mn2+:ZnS. Optar. Tecnología láser. 130, 106365. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106365 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

Los autores agradecen el generoso apoyo del Inter-University Accelerator Center (IUAC), Nueva Delhi por la asistencia financiera a través del Proyecto No. IUAC/XIII.7/UFR-67305, India, y el difunto Prof. SS Shah por su eficaz discusión científica. y aliento

Laboratorio de Investigación de Materiales Avanzados, Departamento de Física, Universidad Dr. Babasaheb Ambedkar Marathwada, Aurangabad, 431004, MS, India

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

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Laboratorio de Nanotecnología y Materiales Avanzados, Universidad del Peloponeso, 26334, Patras, Grecia

E. Stathatos

Departamento Funcional y de Polímeros, CSIR-Instituto Indio de Tecnología Química, Tarnaka, Hyderabad, Telangana, 500007, India

M. Vasundhara

Ciencia de los Materiales, Centro Acelerador Interuniversitario, Aruna Asaf Ali Marg, Nueva Delhi, 110 067, India

R. Meena

Departamento de Física y Centro de Investigación Interdisciplinaria, Universidad de Estudios de Petróleo y Energía (UPES), Dehradun, Uttarakhand, 248007, India

K. Asokan

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DVD escribió el primer borrador del manuscrito y realizó el análisis y la investigación formales. La metodología, la curación de datos y el trabajo relacionado con el software han sido asistidos por DVD, NDR, VAM y RBS. El manuscrito fue revisado y editado por ES, MV, RM, KA y BND. Se completaron la conceptualización, los recursos, la escritura y la visualización. por BND y DVD El trabajo aquí presentado fue supervisado por BND

Correspondencia a BN Dole.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Dake, DV, Raskar, ND, Mane, VA et al. Intrigantes propiedades fisicoquímicas e impacto de los co-dopantes en nanocables de ZnS basados ​​en óxido de grafeno dopado con N para aplicaciones fotocatalíticas. Informe científico 13, 7595 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33453-z

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Recibido: 11 enero 2023

Aceptado: 13 de abril de 2023

Publicado: 10 mayo 2023

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

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