산화철 (iron oxide)은 자연계에서 마그네타이트 (magnetite, Fe3O4), 마그헤마이트 (maghemite, γ-Fe2O3), 헤마타이드 (hematite, α-Fe2O3)의 3상 (phase)으로 존재하는 중요한 전이금속 산화물이다. 이 중 α-Fe2O3는 값이 저렴하며, 무독성 및 높은 구조적 안정성으로 인해 ...
산화철 (iron oxide)은 자연계에서 마그네타이트 (magnetite, Fe3O4), 마그헤마이트 (maghemite, γ-Fe2O3), 헤마타이드 (hematite, α-Fe2O3)의 3상 (phase)으로 존재하는 중요한 전이금속 산화물이다. 이 중 α-Fe2O3는 값이 저렴하며, 무독성 및 높은 구조적 안정성으로 인해 광촉매, 리튬이온배터리, 가스 센서, 태양 전지 및 안료 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 하지만 이러한 분야에 응용되기 위해 α-Fe2O3의 물성 개선이 필수적으로 요구된다.
예를 들어 광촉매 분야에 응용될 때 α-Fe2O3의 높은 광 생성 전자-정공 재결합 속도, 낮은 확산 길이 및 가전자대 (Valence band, VB) 위치는 상대적으로 낮은 태양 에너지 변환 효율을 만든다. 이 문제를 완화하기 위해 α-Fe2O3에 다른 전이금속을 도핑 (doping) 하거나, 다른 금속산화물로 감싸는 core-shell 구조의 이종 접합 물질이 연구되고 있다.
본 연구에서 효율적인 α-Fe2O3 기반 광촉매를 개발하기 위해 α-Fe2O3, Sn이 도핑 된 α-Fe2O3 (Sn·Fe2O3), α-Fe2O3 core와 SnO2 shell 형태의 (Fe2O3@SnO2) 나노 입자 (NPs)를 합성하고자 하였다. 그리고 합성된 나노 입자를 티올화 탄소나노튜브 (CNT-SH) 표면에 부착하여 NPs-CNT 형태의 나노 복합체를 제조하였다. 얻어진 시료는 투과전자현미경 (TEM), X선 회절 (XRD), X선 광전자 분광법 (XPS) 등을 중심으로 구조분석을 진행하였다. 나노 복합체의 광촉매 활성은 가시광선 하에서 메틸오렌지 (methyl orange, MO) 및 로다민 B (rhodamine B, Rh.B)의 광분해를 자외선-가시광선 흡수 분광계를 이용해 측정하였다.
본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 졸-겔 (sol-gel) 법과 공침법을 통해 간단히 α-Fe2O3 기반의 신규 3종 (α-Fe2O3, Sn·Fe2O3, Fe2O3@SnO2) 촉매 물질들을 합성하였다. 이후 탄소나노튜브 표면을 thiol 작용기로 개질한 CNT-SH를 지지체로 이용하여 나노입자가 부착된 나노 복합체를 합성하였다. 2. TEM 분석을 통해 CNT 표면에 나노입자들이 각각 고르게 잘 분산되어 있음을 확인하였다. 평균 크기는 각각 2.5 nm (Fe2O3), 2.8 nm (Sn·Fe2O3) 및 3.3 nm (Fe2O3@SnO2)로 계산되었다. Core-shell 입자의 경우 core 입자를 shell 층의 입자가 고르게 감싸고 있음을 확인하였다. 부착된 나노입자의 결정구조는 XRD 분석을 통해 확인하였고, 나노 입자의 산화상태와 원소 함량은 XPS를 통해 측정되었다. 3. 합성된 나노복합체의 촉매 특성은 가시광선 하에서 MO 및 Rh.B의 광분해 활성을 통해 확인하였다. 측정된 광분해도 결과를 통해 광촉매 특성이 α-Fe2O3 < Sn·Fe2O3 < SnO2@Fe2O3 순으로 우수함을 확인하였다. 그리고 이 나노입자를 CNT에 부착시켜 합성한 나노복합체의 경우 Fe2O3-CNT < Sn·Fe2O3-CNT < SnO2@Fe2O3-CNT 순으로 CNT에 부착되지 않은 촉매들 보다 우수한 광촉매 특성을 나타내었다.
산화철 (iron oxide)은 자연계에서 마그네타이트 (magnetite, Fe3O4), 마그헤마이트 (maghemite, γ-Fe2O3), 헤마타이드 (hematite, α-Fe2O3)의 3상 (phase)으로 존재하는 중요한 전이금속 산화물이다. 이 중 α-Fe2O3는 값이 저렴하며, 무독성 및 높은 구조적 안정성으로 인해 광촉매, 리튬이온배터리, 가스 센서, 태양 전지 및 안료 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 하지만 이러한 분야에 응용되기 위해 α-Fe2O3의 물성 개선이 필수적으로 요구된다.
예를 들어 광촉매 분야에 응용될 때 α-Fe2O3의 높은 광 생성 전자-정공 재결합 속도, 낮은 확산 길이 및 가전자대 (Valence band, VB) 위치는 상대적으로 낮은 태양 에너지 변환 효율을 만든다. 이 문제를 완화하기 위해 α-Fe2O3에 다른 전이금속을 도핑 (doping) 하거나, 다른 금속산화물로 감싸는 core-shell 구조의 이종 접합 물질이 연구되고 있다.
본 연구에서 효율적인 α-Fe2O3 기반 광촉매를 개발하기 위해 α-Fe2O3, Sn이 도핑 된 α-Fe2O3 (Sn·Fe2O3), α-Fe2O3 core와 SnO2 shell 형태의 (Fe2O3@SnO2) 나노 입자 (NPs)를 합성하고자 하였다. 그리고 합성된 나노 입자를 티올화 탄소나노튜브 (CNT-SH) 표면에 부착하여 NPs-CNT 형태의 나노 복합체를 제조하였다. 얻어진 시료는 투과전자현미경 (TEM), X선 회절 (XRD), X선 광전자 분광법 (XPS) 등을 중심으로 구조분석을 진행하였다. 나노 복합체의 광촉매 활성은 가시광선 하에서 메틸오렌지 (methyl orange, MO) 및 로다민 B (rhodamine B, Rh.B)의 광분해를 자외선-가시광선 흡수 분광계를 이용해 측정하였다.
본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 졸-겔 (sol-gel) 법과 공침법을 통해 간단히 α-Fe2O3 기반의 신규 3종 (α-Fe2O3, Sn·Fe2O3, Fe2O3@SnO2) 촉매 물질들을 합성하였다. 이후 탄소나노튜브 표면을 thiol 작용기로 개질한 CNT-SH를 지지체로 이용하여 나노입자가 부착된 나노 복합체를 합성하였다. 2. TEM 분석을 통해 CNT 표면에 나노입자들이 각각 고르게 잘 분산되어 있음을 확인하였다. 평균 크기는 각각 2.5 nm (Fe2O3), 2.8 nm (Sn·Fe2O3) 및 3.3 nm (Fe2O3@SnO2)로 계산되었다. Core-shell 입자의 경우 core 입자를 shell 층의 입자가 고르게 감싸고 있음을 확인하였다. 부착된 나노입자의 결정구조는 XRD 분석을 통해 확인하였고, 나노 입자의 산화상태와 원소 함량은 XPS를 통해 측정되었다. 3. 합성된 나노복합체의 촉매 특성은 가시광선 하에서 MO 및 Rh.B의 광분해 활성을 통해 확인하였다. 측정된 광분해도 결과를 통해 광촉매 특성이 α-Fe2O3 < Sn·Fe2O3 < SnO2@Fe2O3 순으로 우수함을 확인하였다. 그리고 이 나노입자를 CNT에 부착시켜 합성한 나노복합체의 경우 Fe2O3-CNT < Sn·Fe2O3-CNT < SnO2@Fe2O3-CNT 순으로 CNT에 부착되지 않은 촉매들 보다 우수한 광촉매 특성을 나타내었다.
Organic dyes are immensely used in various industrial fields such as textiles, paper, food, plastics, and cosmetic. Unfortunately, organic dye and dyestuffs can continuously deteriorate the water quality by decreasing water transparency and increasing total dissolved substances, chemical oxygen dema...
Organic dyes are immensely used in various industrial fields such as textiles, paper, food, plastics, and cosmetic. Unfortunately, organic dye and dyestuffs can continuously deteriorate the water quality by decreasing water transparency and increasing total dissolved substances, chemical oxygen demand (COD), and biological oxygen demand (BOD) of water. Moreover, they can cause serious environmental problems due to their high toxicity to aquatic creatures and carcinogenic and mutagenic effects on humans. Therefore, the removal of dyes prior to the discharge of wastewater from dye industries is of great importance. However, conventional physicochemical and biological treatment methods fail to completely destroy dye pollutants, and are also slow, require expensive equipment, and can lead to secondary pollution. Therefore, in recent years, semiconductor-based photocatalysis has emerged as an organic pollutant degradation and decolorization method.
Iron oxide is one of the most promising photocatalysts for environmental purification purposes, owing specifically to its high efficiency, low toxicity, excellent physical and chemical stability, and low cost. There are sixteen different known iron oxides; the most common among them are magnetite (Fe3O4), maghemite (γ-Fe2O3), and hematite (α-Fe2O3). Among them, α- Fe2O3 is a non-hazardous, photo-stable also promising low cost n-type semiconductor for degradation of organic dyes by consuming around 40% of the solar spectrum. However, the high electron-hole recombination rate, small hole diffusion length (2-4 nm) and slow oxygen evolution kinetics of α-Fe2O3 are the major drawbacks for effective photodegradation. So far, various approaches have been proposed to alleviate this problem. The limitation may be overcome by doping Fe2O3 with a transition metal or wrapping Fe2O3 with another metal oxide to achieve heterogeneous bonding such as a core-shell structure.
In this study, we have synthesized various carbon nanotube (CNT) combined α-Fe2O3 hybrid nanocomposites to improve the photocatalytic activity and photoinduced charge separation of electron-hole pairs and transport in the visible light region. The obtained samples were characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The photocatalytic activity of NCs-CNT catalysts was evaluated for methyl orange (MO), rhodamine B (Rh. B), and methyl red degradation under visible light irradiation. The possible mechanism of enhanced photocatalytic activity of prepared nanocomposites is also provided.
The main results of this study can be summarized as follows.
1. α-Fe2O3 hybrid nanocomposites were simply synthesized by sol-gel method and coprecipitation method. TEM observations revealed that nanoparticles were evenly and well dispersed on the CNT surface. For core-shell particles, it was confirmed that the core particles (Fe2O3) were uniformly wrapped by a shell layer (SnO2). The crystal structure of the attached nanoparticles was confirmed through XRD analysis, and the oxidation state of the nanoparticles and the content of elements attached to the CNT surface were measured through XPS.
2. The observed photocatalytic performances increased in the following order: α- Fe2O3 < Sn·Fe2O3 < SnO2@ Fe2O3. < Fe2O3-CNT < Sn·Fe2O3-CNT < SnO2@Fe2O3-CNT. This result indicates that CNTs can improve photo-induced electron transport and inhibit recombination of photo-induced electrons and holes more effectively than pristine Fe2O3.
3. After recovering synthesized materials from the wastewater, they can be reused for multiple cycles after treatment, which can be a new vision for the researchers.
Organic dyes are immensely used in various industrial fields such as textiles, paper, food, plastics, and cosmetic. Unfortunately, organic dye and dyestuffs can continuously deteriorate the water quality by decreasing water transparency and increasing total dissolved substances, chemical oxygen demand (COD), and biological oxygen demand (BOD) of water. Moreover, they can cause serious environmental problems due to their high toxicity to aquatic creatures and carcinogenic and mutagenic effects on humans. Therefore, the removal of dyes prior to the discharge of wastewater from dye industries is of great importance. However, conventional physicochemical and biological treatment methods fail to completely destroy dye pollutants, and are also slow, require expensive equipment, and can lead to secondary pollution. Therefore, in recent years, semiconductor-based photocatalysis has emerged as an organic pollutant degradation and decolorization method.
Iron oxide is one of the most promising photocatalysts for environmental purification purposes, owing specifically to its high efficiency, low toxicity, excellent physical and chemical stability, and low cost. There are sixteen different known iron oxides; the most common among them are magnetite (Fe3O4), maghemite (γ-Fe2O3), and hematite (α-Fe2O3). Among them, α- Fe2O3 is a non-hazardous, photo-stable also promising low cost n-type semiconductor for degradation of organic dyes by consuming around 40% of the solar spectrum. However, the high electron-hole recombination rate, small hole diffusion length (2-4 nm) and slow oxygen evolution kinetics of α-Fe2O3 are the major drawbacks for effective photodegradation. So far, various approaches have been proposed to alleviate this problem. The limitation may be overcome by doping Fe2O3 with a transition metal or wrapping Fe2O3 with another metal oxide to achieve heterogeneous bonding such as a core-shell structure.
In this study, we have synthesized various carbon nanotube (CNT) combined α-Fe2O3 hybrid nanocomposites to improve the photocatalytic activity and photoinduced charge separation of electron-hole pairs and transport in the visible light region. The obtained samples were characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The photocatalytic activity of NCs-CNT catalysts was evaluated for methyl orange (MO), rhodamine B (Rh. B), and methyl red degradation under visible light irradiation. The possible mechanism of enhanced photocatalytic activity of prepared nanocomposites is also provided.
The main results of this study can be summarized as follows.
1. α-Fe2O3 hybrid nanocomposites were simply synthesized by sol-gel method and coprecipitation method. TEM observations revealed that nanoparticles were evenly and well dispersed on the CNT surface. For core-shell particles, it was confirmed that the core particles (Fe2O3) were uniformly wrapped by a shell layer (SnO2). The crystal structure of the attached nanoparticles was confirmed through XRD analysis, and the oxidation state of the nanoparticles and the content of elements attached to the CNT surface were measured through XPS.
2. The observed photocatalytic performances increased in the following order: α- Fe2O3 < Sn·Fe2O3 < SnO2@ Fe2O3. < Fe2O3-CNT < Sn·Fe2O3-CNT < SnO2@Fe2O3-CNT. This result indicates that CNTs can improve photo-induced electron transport and inhibit recombination of photo-induced electrons and holes more effectively than pristine Fe2O3.
3. After recovering synthesized materials from the wastewater, they can be reused for multiple cycles after treatment, which can be a new vision for the researchers.
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