آلایش ساختاری نانوالیاف تیتانیا با نانوذرات کامپوزیتی سریا-آلومینا جهت بهبود خواص و عملکرد فتوکاتالیستی در تصفیه پساب رنگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

10.22078/pr.2025.5562.3470

چکیده

در پژوهش حاضر، تأثیر آلایش ساختاری نانوالیاف تیتانیا با مقادیر مختلف از نانوذرات کامپوزیتی سریا-آلومینا بر خواص و کارآیی فتوکاتالیستی در فرآیند تصفیه آب آلوده به آلاینده رنگی متیل اورانژ مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. بدین منظور، در ابتدا نانوذرات کامپوزیتی حاوی wt.% 30 سریا با استفاده از روش تلقیح سنتز شدند و سپس مقادیر متفاوتی از آن (0، 1، 5/2 و wt.% 5) در محلول پیش ساز تیتانیا پراکنده شده و برای تهیه نانوالیاف تیتانیا آلاییده به نانوذرات الکتروریسی شدند. نانوذرات سریا-آلومینا و نانوالیاف کامپوزیتی بهینه با استفاده از آنالیزهای XRD، FESEM/EDX و PL مشخصه‌یابی شدند. تشکیل فازهای کریستالی سریا و آلومینا‌ و نیز شناسایی عناصر اکسیژن، آلومینیوم و سریم در آنالیزهای XRD و EDX صحت سنتز نانوذرات کامپوزیتی سریا-آلومینا را تأیید کردند. نتایج آنالیزهای شناسایی نشان دادند که آلایش ساختاری نانوالیاف تیتانیا با مقدار مناسب از نانوذرات سریا-آلومینا اگرچه سبب تغییر محسوسی در ساختار کریستالی تیتانیا نمیشود، ولی میزان بازترکیبی حامل‌های بار را کاهش می دهد. ناهمگنی سطح مقطع نانوالیاف و نیز شناسایی عناصر آلومینیوم و سریم مؤید حضور نانوذرات سریا-آلومینا در ساختار نانوالیاف تیتانیا بودند. با توجه به نتایج عملکردی، مشخص شد که آلایش ساختاری با نانوذرات ظرفیت جذب نانوالیاف تیتانیا را افزایش می‌دهد. بعلاوه، wt.% 1 به عنوان مقدار بهینه نانوذرات سریا-آلومینا جهت آلایش ساختاری نانوالیاف انتخاب شد. این نانوالیاف توانست در مدت زمان 2 ساعت تابش نور UV‌ تقریباً 74% از آلاینده رنگی را تخریب نماید. با افزایش مقدار نانوذرات، راندمان حذف نانوالیاف به تدریج کاهش یافت که میتوان آن را به کاهش تعداد سایت‌های فعال در دسترس و مسدود شدن سایت‌های تیتانیا با نانوذرات و نیز احتمالاً افزایش میزان بازترکیبی جفت‌های الکترون-حفره نسبت داد. بررسی مدل‌های سینتیکی مختلف برای نانوالیاف آلایش یافته بهینه نشان داد که نتایج حاصل از تجزیه نوری متیل اورانژ با مدل سینتیکی مرتبه اول بیشترین مطابقت را دارد (99/0<R2).

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Structural Decoration of Titania Nanofibers with Ceria-Alumina Composite Nanoparticles to Promote Photocatalytic Properties and Performance in the Treatment of Dye Wastewater

نویسندگان [English]

  • Farhad Rahmani
  • Zaniar Hasanzadeh
  • Mehrdad Khamforoush
  • Rojiar Akbari Sene
  • Avin Zandi
Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده [English]

In the present study, the effect of structural decoration of titania nanofibers with different amounts of ceria-alumina composite nanoparticles on photocatalytic properties and efficiency in the treatment process of water contaminated with methyl orange dye pollutant was studied and investigated. For this purpose, composite nanoparticles comprising 30 wt.% of ceria were initially synthesized using the impregnation method, and then varying amounts of these nanoparticles (0, 1, 2.5, and 5 wt.%) were dispersed into the titania precursor solution, and then they were electrospun to prepare titania nanofibers decorated with nanoparticles. Ceria-alumina nanoparticles and optimized composite nanofibers were characterized by XRD, FESEM/EDX and PL analyses. The formation of ceria and alumina crystalline phases and the identification of oxygen, aluminum and cerium elements in XRD and EDX analyses confirmed the authenticity of the claimed synthesis of ceria-alumina composite nanoparticles. The characterization results indicate that although the structural decoration of titania nanofibers with an appropriate amount of ceria-alumina nanoparticles does not cause a noticeable change in the crystalline structure of titania, but it reduces the recombination rate of charge carriers. The non-uniformity in the cross section of nanofibers as well as the identification of aluminum and cerium elements confirmed the presence of ceria-alumina nanoparticles in the structure of titania-based nanofibers. According to the performance results, it was found that structural decoration with nanoparticles increases the adsorption capacity of titania nanofibers. Furthermore, 1 wt.% was selected as the optimal amount of ceria-alumina nanoparticles for structural decoration of nanofibers. This photocatalyst eliminated approximately 74% of the dye pollutant within 2 h irradiation of UV light. With the increase in the loading content of nanoparticles, the removal efficiency of nanofibers gradually diminishes, which can be attributed to the decrease in the number of accessible active sites and the obstruction of titania sites with nanoparticles, as well as possibly the increase in the recombination rate of electron-hole pairs. Examining different kinetic models for optimally decorated nanofibers revealed that the results of photodecomposition of methyl orange are most consistent with the first-order kinetic model (R2>0.99).

کلیدواژه‌ها [English]

  • TiO2 nanofibers
  • CeO2-Al2O3 nanoparticles
  • Photocatalytic degradation
  • Methyl orange
  • Kinetic studies