繊維水から有機汚染物質を迅速に除去するためのCoをドープした化学的に剥離した窒化ホウ素ナノシートの適用

はじめに

最近、グラフェンに似た有望な二次元層状材料である窒化ホウ素（BN）、二硫化タングステン（WS ₂ ）、および二硫化モリブデン（MoS ₂ ）、かなりの注目を集めています。窒化ホウ素は通常、最も安定した結晶形、つまり六方晶窒化ホウ素（h-BN）で存在します。さらに、それは、ダイヤモンド、菱面体晶窒化ホウ素（r-BN）、およびアモルファス相に構造的に類似している立方晶窒化ホウ素（c-BN）として発見されています[1]。 h-BN層間の層間間隔は3.30〜3.34Åですが、グラファイトは3.33〜3.35Åの間隔を示します。さらに、h-BNは〜5.9 eVのバンドギャップを持つ優れた絶縁体です[2、3]。 h-BNの結晶構造はグラフェンの結晶構造に似ているため、「白いグラフェン」と呼ばれることもあり、グラフェンの「双晶材料」と呼ばれます。興味深いことに、ホウ素原子と窒素原子は共有結合し、ハニカム状のパターンで配置されています[2、4]。さらに、h-BNは、優れた物理的、化学的、熱的、電気的、光学的、および誘電的特性を提供し、さまざまなアプリケーションでの使用に魅力的です[5、6、7]。バンドギャップ調整と構造特性によってBN絶縁特性を変更するための研究が行われています[3、8]。窒化ホウ素ナノシート（BN-NS）は、自然界では利用できないため、バルク材料を剥離することによって2004年に最初に作成されました。現在まで、化学剥離[9]、ボールミル[10]、電子ビーム照射[11]、化学蒸気技術[12]など、さまざまな方法がナノシートの製造に採用されてきました。他のさまざまな剥離経路も文献に記載されています[13、14、15]。

BN-NSの潜在的な用途には、オプトエレクトロニクスデバイスおよび熱管理デバイスでの使用が含まれます。これは、廃水処理における光触媒および触媒としての使用に特に適しています[3、16、17]。水は、人類を含む地球上のすべての生物の生存と発達に重要な役割を果たしています。すべての季節に良質の水を適切に供給することは、地域の環境と経済成長に大きな影響を及ぼします[18、19]。さらに、世界中の食品産業は、きれいな水の一貫した供給に大きく依存しています[20]。純粋で新鮮な水の入手可能性は、人口増加率の高さを含む多くの要因の影響を受けます。多くの国で約27億人がきれいな水の不足に直面していると推定されています[18、21]。

文献によると、コンゴーレッド、マルチウスイエロー、メチルオレンジ、メチルレッド、メチルブルーなどの多くの染料が、皮革、建設、製紙、金属製造、印刷などのさまざまな産業分野で使用されています[22,23 、24]。これらの染料の使用により生成される有害な金属イオン（Pb、Cr、Hg、Cuなど）は、人間と水生生物に有害な影響を及ぼします。未処理の染料や有毒な金属イオンにさらされると、貧血、ガン、脳症、免疫系の衰弱などの深刻な病気を引き起こす可能性があります[20、25]。さらに、余分な天然有機物は毒性のレベルを高め、浄水システムに悪影響を与える可能性があります[26]。

塩やその他の微量不純物は、広く利用可能な技術を使用して水から除去できます。ただし、有害な染料や有毒金属イオンの除去はより困難です。これらの汚染物質から水を浄化するために、光触媒[16]、磁気補助[27]、油の除去[28]、ろ過と凝固[29]などのさまざまな経路が利用されてきました。これらの技術の中で、触媒作用は、環境に優しく、費用効果が高く、エネルギー効率が高いと考えられているため、重要な位置を占めています。さらに、BN-NSは表面積が大きく、化学的および物理的特性が優れているため、廃水処理の触媒として使用するのに適しています[17]。

本研究では、廃水処理プロセスへの潜在的な影響のために、合成されたサンプルの磁気特性も調査されます。従来、3dまたは4fシェルに電子を含む遷移金属が磁性の起源の原因となっています。文献によると、自発磁化は、 s に電子を含む金属を含まない軽元素でも観察されます。 および p 軌道[30、31]。さらに、希釈された磁性半導体または酸化物（DMS（O））の強磁性の起源については、多くの議論がなされています[32、33]。理論的分析は、グラフェンベースの（2D）ナノ材料、特にh-BNの周期的欠陥が、磁気秩序（強磁性、フェリ磁性、および反強磁性）を誘発することを示唆しています[34]。さらに、h-BNのこれらの欠陥は、強磁性に対する反磁性の振る舞いを変えるのに有利に作用します[35]。遷移金属（例えば、Ni、Fe、Cu、Zn、およびCo）は、満足のいく磁気特性を示します。したがって、BNナノシートへのこれらの種のドーピングは有望な結果をもたらします。したがって、h-BNに遷移金属（Co）をドープすると、外因性欠陥が生じ、内因性欠陥とともにその磁気特性が向上します[36]。

本研究では、単純な熱水技術を使用して、触媒活性と磁気的挙動が強化されたCoドープBNナノシートを調製しました。ドーピングの効果は、BN-NSの構造的、形態学的、光学的、および磁気的特性を評価することによって調査されました。

メソッド

現在の研究は、繊維の水と磁気的挙動から有機汚染物質を除去するために、熱水ルートを介してさまざまな濃度のCoをh-BNナノシートに合成することを目的としていました。

資料

バルクBN粉末（98％）、ジメチルホルムアミド（DMF）メチレンブルー（MB）、および水素化ホウ素ナトリウム（NaBH ₄ ）はSigma-Aldrich Co.（ドイツ）から購入しました。硝酸コバルト（II）六水和物（CoH ₁₂ N ₂ O ₁₂ ）（98％）はVWR Chemicals（UK）から購入しました。この研究のために取得したすべての化学物質は、追加の精製なしで使用されました。

共ドープBNの剥離と合成

BN-NSの合成には化学剥離ルートを採用しました。まず、5gのバルクBN粉末を200mLのDMFに溶解し、20分間撹拌してストック溶液を得ました。これに続いて、12時間の激しい超音波処理が行われました。超音波処理後、浮遊したBNシートをストック溶液から収集しました。ドーピングは、熱水アプローチを介して行われた。この方法では、硝酸コバルト（II）六水和物をCoドーパントとして使用しました。収集したBNナノシートに、さまざまな硝酸コバルト（II）六水和物の重量比（2.5、5、7.5、および10 wt％）をドープしました。その後、選択したBN-NSと硝酸コバルト（II）六水和物をさまざまな比率（1：0.25、1：0.05、1：0.075、1：0.1）で、15分間連続撹拌しながら100mLの脱イオン水に分散させました。懸濁液をステンレス鋼のオートクレーブに注ぎ、図1に概略的に示すように、200°Cの真空オーブンに10時間入れました。最後に、オートクレーブをオーブンから取り出し、室温で冷却しました。前駆体をホットプレート上で100〜120°Cで乾燥させました。

CoドープBN-NSの剥離と合成の概略図

触媒作用

純粋なCoドープBN-NSの触媒活性を測定して、色素の分解度を測定しました。これは、NaBH ₄ の水溶液中でのMBの分解を監視することによって行われました。 それは還元剤として機能します。 MBとNaBHの両方 ₄ 実験データの完全性を確保するために新たに準備されました。通常、MBは、分析化学で最も一般的に使用される酸化還元指示薬であり、色素分解試験中の触媒活性を調節します。さらに、MBは酸化された形では青色のままですが、還元されると中性に見えます[37]。 2つの触媒実験が実行されました。最初の実験は500μLのNaBH ₄ および2mgの触媒と1000μLのNaBH ₄ を含む2番目の触媒 および4mgの触媒。一般に、実験で使用される触媒の濃度は、化学反応に影響を与える最も重要な要因です。触媒は活性化エネルギーを低下させます（ E _a ）反応の安定性と反応速度を高めるのに役立ちます。 MBは主に、環境に危険な有毒な染料です。 NaBH ₄ で減らすことができます それはそれを無毒で無色の種に変換します。ただし、NaBH ₄ が存在する場合、還元プロセスは比較的遅くなります。 。非ドープおよびCoドープBN-NSは大きな表面積を示し、反応反応性の増加と組み合わせると、色素の還元効率を加速するのに役立ちます。還元剤の存在下でMBに触媒を組み込むと、吸着が起こります。さらに、触媒上に分散された還元剤の層も、触媒とMBとの間の酸化還元反応のために吸着を加速する可能性があります。触媒による還元反応は、e ^- を移動させることによって起こります。 ドナーコンテンツからBH ₄ ⁻ （例：NaBH ₄ から ）純粋でドープされたBN-NSによって促進されるアクセプターコンテンツMBへ。これにより、 E が減少します _a これは反応を安定させるのに役立ちます。触媒活性は、500または1000μLのNaBH ₄ を摂取することによって評価されました。 石英セル内の10mLのMB溶液で希釈。その後、MBの分解を調べるために触媒（2または4 mg）を添加しました。色素の分解は、図2に概略的に示すように、分光光度法で評価しました。さらに、MBで得られた200〜800 nmの範囲の吸収スペクトルを、室温での参照として使用しました。純粋でドープされた触媒の存在下での色素の分解により、触媒活性の向上が確認されましたが、NaBH ₄ MBの劣化に失敗しました。

触媒活性を評価するために使用される実験装置の概略図

材料の特性評価

準備されたサンプルは、さまざまな手法を使用して分析されました。相構成と結晶化度は、PAN分析X-pert PRO X線回折計（XRD）とCu-Kα放射線（λ）を使用して評価しました。 =1.5418Å）および5°から80°の範囲の2θ。フーリエ変換赤外分光法（FTIR）は、官能基の存在を確認するためにPerkinElmer分光計を使用して実行されました。発光スペクトルは、JASCO FP-8200分光蛍光光度計を使用してフォトルミネッセンス（PL）分光器から得られました。ラマンスペクトルは、532 nmのダイオードレーザーを備えたDXRラマン顕微鏡（Thermo Scientific）を使用して取得しました。形態学的検査は、JSM-6460LVフィールドエミッション走査型電子顕微鏡（FE-SEM）とPhilipsCM30およびJEOLJEM 2100F高分解能透過型電子顕微鏡（HR-TEM）を使用して実施されました。光学特性は、UV-visible-Genesys10S分光光度計で記録されました。エネルギー分散型X線分光法（EDS）を使用して、元素組成を追跡しました。磁気特性は、振動試料型磁力計（VSM）で測定されました。

結果と考察

図3aに示すように、XRDを使用して、準備したサンプルの相と結晶構造を分析しました。回折ピークは26.8°、41.6°、43.52°、および50.2°で観察され、それぞれ（002）、（100）、（101）、および（102）面としてインデックス付けされました。観察された反射は、BNの六角形相の存在を確認し、JCPDS 00-034-0421 [38、39]とよく一致します。純粋なサンプルからドープされたサンプルへの特徴的なピーク強度が増加することは注目に値します。これは、Coを組み込むことで結晶化度が向上したことを示しています。さらに、XRDパターンは、ドーパントの存在に起因する、より高い回折角へのピークシフトを示しています。標本で[40]。層間間隔 d ₀₀₂ ブラッグの法則（nλ=2dsinθ）を使用して計算すると、〜0.34 nmであり、HR-TEMの結果と一致しています[41]。

a 未処理およびさまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）のCoドープBN-NSのXRDパターン。 b FTIRスペクトル

図3dに示すように、FTIRを実行して、コントロールおよびドープされたナノシートのIRフィンガープリントを識別しました。スペクトルは〜808、1020、1160、1370、1672、および3187 cm ^-1 で観測されました。 。 808と1370cm ^-1 に2つのコアピークが確認されました。 これらは、B–N–B（曲げ振動）およびB–N（伸縮振動）に関連していると考えられています。後者のピークは曲げ振動A _2u に関連しています 前者のピークが伸縮振動E _1u とよく一致している間、モード（面外） モード（面内）[42、43]。さらに、1020、1160、および1672 cm ^-1 にピークがあります。 それぞれC–O、B–N–O、およびC =O結合と一致していました[44]。 3187 cm ^-1 を中心とする別のピーク B–OH結合に対応します[45、46]。

構造指紋の識別は、図4aに示すように、ラマンスペクトルによって実行されました。スペクトルは、1370 cm ^-1 を中心とする特徴的なラマンバンドを示しています これはE _2g によるものです h-BNのアクティブフォノンモードであり、グラフェンのGピークと相関しています[47]。剥離したBN-NSは、550および880 cm ^-1 に小さなピークを示します。 これは蛍光バックグラウンドに起因します[48]。さらに、高品質の単結晶h-BNがE _2g を示すことが文献で報告されています。 1367 cm ^-1 でのアクティブフォノンモード [40]。この研究では、赤方偏移したE _2g アクティブフォノンモードは、BNの中間層間のかすかな相互作用の結果として発生します。さらに、赤方偏移したラマンスペクトルは、いくつかの層状ナノシートの存在を示しています。これにより、ホウ素および窒素結合（B–N）内でわずかな伸びが生じます[49、50]。したがって、このB–N結合の伸長はフォノンの軟化によるものであり、前述の結果とよく一致しています。さらに、元素のドーピング、積み重ねられた層の順序、ドメインサイズ、および多孔性は、ピークの広がりとシフトにつながる可能性があります[51]。

a コントロールおよびドープされたBN-NSのラマンスペクトル。 b PLスペクトル

図4bに示すように、電子正孔対の励起子移動と再結合を理解するためにPL分光法を実行しました。スペクトルは、λの励起および発光波長で観察されました。 _ex =220nmおよびλ _em =それぞれ310nm。 〜322–342 nmで観察される特徴的なバンドは、不純物レベルによる電子正孔遷移に対応します[52、53]。励起子バンドは増加しますが、ドーピング時に波長シフトを示さないことは注目に値します。 〜446 nmと〜471 nmの特徴的なピークは、PL強度が純粋なサンプルからドープされたサンプルへと急激に増加することを示しています。一方、10 wt％のCoドープBN-NSは、すべてのサンプルの中で最大のPL強度を示し、最大の電子正孔再結合を示します。光生成電荷の分離を示すドーピング濃度のために強度は徐々に減少します[54]。発光スペクトルは、以前に報告された結果と一致する励起依存のPL挙動を明らかにしました[55]。

図5aに示すように、UV-vis分光法を使用して、調製したままの製品の吸収スペクトルとバンドギャップを調査しました。ホストBN-NSの特徴的な吸収ピークは、図5bに示すように、〜5.7 eVのバンドギャップを参照して、深紫外線領域（DUV）で〜205nmのしきい値にありました。バルクBNは5.2〜5.4 eVのバンドギャップを誘発しますが、単分子層は理論計算（6.0 eVなど）とよく一致する〜6.07eVのバンドギャップを示します。バイ/マルチレイヤーの場合、バンドギャップ値は5.56〜5.92eVの範囲です[43]。図5bの広いバンドギャップと図5aのDUV発光挙動と一致しているため、h-BNナノシートは、光子放出、UVレーザー、およびDUV検出器のさまざまなアプリケーションの新しい候補と見なすことができます[56]。 。さらに、ドーピング濃度の増加（2.5〜10 wt％）に伴い、吸収端がより長い波長にシフトし、赤方偏移を示しました（図5b）[57]。

a 裸およびCoドープBN-NSのUV-visスペクトル。 b Tauc-バンドギャップのプロット

図6aに示すように、コントロールとドープされたBN-NSの形態と組成をFE-SEMで分析しました。顕微鏡写真は、得られた粒子が滑らかな表面と湾曲したエッジを備えた凝集体ナノシート構造を持っていたことを示しています。図6b–dは、コバルトで覆われたBNナノシートを示しています。すべてのサンプルで凝集が観察された。 FE-SEM顕微鏡写真は、ナノシートがコンパクトな層状構造で折りたたまれており、不均一な形状と横方向の寸法を持っていることを示しています。ナノシートの構成と寸法は、バルクBN粉末の剥離の結果です。得られた生成物の形態をHR-TEM分析でさらに確認した。図6a〜dに示すHR-TEM顕微鏡写真から、調製したままの製品のシート状の形態が観察されました。さらに、ナノシートのコンパクトな粗い表面がわずかに多孔質の特徴で観察され、その結果、触媒活性が向上しました。暗い球状のスポットが観察され、ドーピングの組み込みが成功したことを示しています。図6a〜dのSEM分析で示されているように、ナノシートの微細な積み重ねとカールしたエッジが記録されました。実験結果は、FE-SEMおよびHR-TEM分析が、バルクBNからのBNナノシートの剥離の成功を示していることを示唆しています。

a 、 a ’ 純粋なBN-NSのFE-SEMおよびHR-TEM画像。 b – d （2.5、7.5、および10 wt％）ドープされたBN-NSのFE-SEM。 b ’ – d ’ （2.5、7.5、および10 wt％）ドープされたBN-NS（挿入図50 nm）のHR-TEM

裸のサンプルとドープされたサンプルの層間間隔測定は、格子縞を区別するためにGatanデジタル顕微鏡写真ソフトウェアで調べたHR-TEMのFFT画像によって誘導されたIFFT（挿入図を参照）を使用して行われました。観察された d -元の状態で2.5wt％ドープされたBN-NSの間隔値は0.34nmと0.21nmであり、これは d に対応します。 ₀₀₂ および d ₁₀₀ 図7a、cに示すように、それぞれ平面。これらの発見は、XRD分析および標準データとよく一致しています[58]。さらに、SAEDプロファイルが図7b、dに示されています。これは、輝点回折リングを示しています。これらの回折リングは、XRDの結果とよく一致する（002）、（100）、（101）、および（102）面に由来するものとしてインデックス付けされました。 SAEDパターンは、すべてのリングが六方晶BNに属していることを示唆しており、ナノシートの高度な結晶性を検証しています[58]。

a 、 c d -ホストと2.5wt％ドープBN-NSの間隔分析。 b 、 d コントロールのSAEDパターンと2.5wt％ドープBN-NS

ドープされたBN-NSの表面元素組成は、それぞれ図8a〜dに示すようにEDS分析によって調査されました。得られた顕微鏡写真は、ホウ素（B）と窒素（N）の強いピークを示していますが、コバルト（Co）のマイナーシグナルもEDSスペクトルで観察されました（図8a）。 Coをドープしたサンプルでは、​​0.5および7 keVのCoの2つの中程度のピークが観察されました。これは、ドーパントの取り込みが成功したことを示しています。さらに、1 keV未満の炭素信号は、分析中にサンプルを保持するために使用される炭素タブから発生するか、SEM-EDS検出器のバックグラウンドカウントが高いために発生します。それ以外の場合、サンプルには炭素が含まれていませんでした[59]。

a – d さまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）のCoドープBN-NSのEDS分析

CoドープBN-NSの磁気特性は、VSM測定を使用したM–H曲線で評価されました。図9に示すグラフでは、M–Hループのシグモイドの外観は、CoドープBN-NSが磁気モーメントによって特徴付けられることを示しています。文献研究は、元のBNが磁化率を伴う反磁性挙動を示すことを明らかにしています（χ≈−8.6×10 ⁻⁷ emu / g）[31、35]。対照的に、CoドープBN-NSは、Co ⁺² 間の交換相互作用に起因する室温強磁性（RT-FM）を示します。 印加された磁場に沿って整列する傾向があるイオンと不対双極子。ヒステリシスループがより正確に見え、ドーピング濃度が増加することがわかります。これは、純度とドーパントの取り込みの成功を確認するものです。 CoドープBN-NSの保磁力、残留磁気、および飽和磁化は、磁性材料の柔らかさと硬度を予測します。 BN-NSに共ドーピングすると、軟磁性材料が形成されます。残留磁気の値（ M _r ）、飽和磁化（ M _s ）、および保磁力（ H _C ）さまざまなドーピング濃度（2.5、5、および7.5 wt％）について、表1に示すようにM–H曲線によって計算されました。

さまざまな濃度（2.5、5、および7.5 wt％）のCoドープBN-NSのM–H曲線

触媒として機能する未処理のCoドープBN-NSの触媒活性は、MBの分解によって表され、UV-vis分光光度計でモニターされた吸収スペクトルによって調査されました。図10a〜hは、500μLのNaBH ₄ を使用した触媒活性の結果を示しています。 および2mgの触媒。図10aから、NaBH ₄ 40分後に色素の8％しか分解しないため、MBを正常に分解できません。 NaBH ₄ の存在下でのMBへの純粋なBN-NSの組み込み 30分で45％の劣化が生じました（図10b）。さらに、CoドープBN-NSの分解能力（図10b–eを参照）は大幅に高かった。ドープされた触媒のさまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）は、13、8、3、および2分でそれぞれ58、77、90、および97％の劣化を示します。興味深いことに、10 wt％ドープされたナノシートは優れた触媒活性をもたらし、わずか2分で97％の色素を分解します。これは、（7.5、5、および2.5 wt％）ドープ濃度よりも高く、特徴的なピーク強度が〜290および665nmで観察されます。染料分解のこの増加は、おそらく、触媒上の触媒部位だけでなく、利用可能な吸着の強化によるものです。このメカニズムでは、Coの3d状態は、BN-NSの対応する利用可能なBまたはNサイトの2p状態とうまく相互作用します。 3dCoと2pBまたはN状態の間のこの強い相互作用は、触媒活性を高め、色素の急速な分解を引き起こします。これは、私たちの結果を好意的に裏付けています[60]。

a NaBH ₄ の時間依存UV-visスペクトル 。 b 手付かずのBN-NS。 c – f さまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）のCoドープBN-NS。 g C のプロット _t / C _o 対時間。 h さまざまな濃度のBN-NSでの分解率の比較

1000μLのNaBH ₄ を使用して触媒実験を繰り返しました。 そして4mgの触媒。触媒の濃度を上げることにより、前述の実験と比較して反応がより速く進行します。この観察結果は文献とよく一致しています。今回の実験では、NaBH ₄ まだMBを分解できませんでしたが、元のBN-NSとさまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）のドープされた触媒は、27、10、6、2、および99％で51、65、82、95、および99％分解しました。分光光度計で評価した場合、それぞれ1分。触媒活性を測定した実験結果を図11a、bに示します。

a C のプロット _t / C _o NaBH ₄ を使用した時間との比較 =1000μLおよび触媒=4mg。 b さまざまな濃度での分解率の比較。 c C のプロット _t / C _o 対10wt％CoドープBN-NSの再利用性の時間。 d C のプロット _t / C _o 対10wt％CoドープBN-NSの再利用性の時間

ランベルトベールの法則によれば、特定の時間におけるMBの濃度の比率（ C _t ）およびMBの初期濃度（ C _o ）、 C と呼ばれます _t / C _o 、平行吸光度の比（ A ）で推定できます。 _t / A _o ）。図10fと11aは、 C の時間経過を示しています。 _t / C _o 図10gおよび11bはすべての触媒の劣化率を示していますが、すべての触媒に使用されています。劣化のパーセンテージは、式（1）によって評価されました。 1.

さらに、pH値は、染料分解処理における重要な操作変数です。また、pHは、繊維廃水処理および染料の劣化に寄与する反応メカニズムにおいて重要な役割を果たします。劣化の割合は、pH値に大き​​く依存することに注意してください。今回の実験では、pH値を8.5に設定しました。重要なことに、触媒活性による染料の分解は、アルカリ性環境で最良の結果を示し、これは我々の実験結果を有利に支持している。いくつかの報告は、触媒活性による最も高い染料分解がアルカリ性環境で観察されたことを明らかにしています[61]。

触媒の安定性と再利用性（リサイクル能力）は、染料の分解に使用される触媒を評価するための重要な特性です。本研究では、触媒の安定性は、実行された実験を48時間維持することによって評価されました。 48時間後、結果は最初に実行されたものと同じでした。つまり、劣化は以前の状態のままでした。触媒の再利用性は、本研究で優れた触媒として機能した10 wt％のCoドープ触媒を3サイクルリサイクルすることによって調査されました。リサイクルされた触媒活性の抽出されたスペクトルは、図11c、dに示すように評価されました。

さらに、3回のリサイクルプロセスの前後の触媒の負荷を調べた。 1番目と2番目のアクティビティでは、2mgと4mg（前）から1.7mgと3.6mg（3サイクル後）の範囲の触媒のわずかな重量損失が、今回の実験で約5％の検出偏差を考慮することによって検出されました。これらの発見は、CoドープBN-NSが触媒として機能しながら卓越した安定性を示すことを示しています。最後に、この研究は、CoドープBN-NSが、工業廃水処理における染料分解に対して効率的で優れた触媒作用を示すことを示唆しています。

結論

この研究では、窒化ホウ素ナノシート（BN-NS）は、バルクBN粉末の化学的剥離によって合成されました。さまざまな濃度（2.5、5、7.5、および10 wt％）のCoが、熱水アプローチによって正常に組み込まれました。 As prepared, pure and doped BN-NS were characterized by a variety of techniques to evaluate the effect of doping. XRD patterns confirm the presence of the hexagonal phase of BN with improved crystallinity from pure to doped samples. Furthermore, the peak shift indicates the successful incorporation of doping. FTIR spectra indicate sp ² bonded B–N stretching vibrations consistent with E_1g mode (in-plane) as well as B–N–B bending vibration associated with A_2u mode (out plane). Raman spectroscopy affirmed E_2g active phonon mode of h-BN while photoluminescence spectroscopy revealed emission spectra that were attributed to exciton migration and recombination. Host and Co-doped BN-NS displayed absorbance in the DUV region along with a redshift that causes a decrease in bandgap energy suggesting it to be a suitable material for degradation of dye from industrial wastewater and organic pollutants. Sheet-like morphology of obtained product was studied by means of FE-SEM and HR-TEM. Slightly porous features result in high catalytic activity due to available adsorption sites. EDS analysis showed the purity of the sample and confirmed the incorporation of dopant in nanosheets. The magnetic behavior of Co-doped BN-NS was investigated through VSM measurements that display strong ferromagnetic behavior while pristine BN-NS show diamagnetic behavior. Significantly, the sigmoidal appearance of the hysteresis loop becomes more precise from lower to a higher concentration of Co-doped BN-NS, which point toward the formation of a soft magnetic material. Lastly, pure and Co-doped BN-NS was utilized as a catalyst in dye degradation. The catalytic activity provides efficient results for most samples but 10 wt% Co-doped catalyst showed significant outcome with the highest dye degradation (99%) in 1 min, making it a novel catalyst in this study. Extracted results from pure and doped BN-NS can be used as a guideline to modify and enhance magnetic properties in order to improve reliability in modern optoelectronic technology. Finally, the synthesized material has the potential to be used as a stable, reusable, and superior nano-catalyst to replace conventional wastewater treatment methods.

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

BN-NS:

Boron nitride nanosheets

Co:

Cobalt

UV-vis：

紫外可視分光法

XRD：

X線回折

DUV：

Deep ultraviolet region

FTIR：

フーリエ変換赤外分光法

PL：

フォトルミネッセンス

DMF：

ジメチルホルムアミド

MB：

メチレンブルー

NaBH ₄ ：

水素化ホウ素ナトリウム

EDS：

エネルギー分散型X線分光法

FE-SEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

HR-TEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

JCPDS：

Joint committee on powder diffraction standards,

VSM：

Vibrating sample magnetometer measurements