[論文レビュー] Cu:ZnO deposited on porous ceramic substrates by a simple thermal method for photocatalytic application

Dikra Bouras, Abla Mecif+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2018

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 27被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、局所のれんがとジルコニアを原料とする多孔質セラミック基板に、オートクレーブ内で単純な熱処理法を用いて銅ドーピングされたZnO薄膜を形成した。多孔質構造により光触媒効率が向上し、7時間で毒性染料を90.5%まで分解した。ジルコニアドーピングにより制御された多孔性が表面積を増加させたため、ドーピングなしの基板に比べてジルコニアドーピング基板が優れた性能を示した。

ABSTRACT

Thin films of undoped zinc oxide (ZnO) and doped ZnO with copper were deposited on ceramic pellets made from abundant local clay materials with an addition of zirconia (ZrO2). The thin layers were prepared by a thermal method using an autoclave. The resulting structural and morphological properties of the products were studied in order to determine the effectiveness of their photocatalytic activities. X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy and UV-visible spectrophotometry were used in this goal. An application test was carried out to quantify the photocatalytic degradation of a toxic organic dye by these samples under UV light. In similar conditions, the layers deposited on the ceramics with addition of zirconia have shown better performances than those without zirconia. This result can be related to the porosity created when the zirconium oxide reacted with SiO2 of the clay. The open porosity observed on this type of substrate allows a larger surface for the photocatalysis. The degradation rate of the dye reached 90.5 % during a period of 7 hours with Cu doped ZnO thin layers deposited on porous substrates modified with addition of ZrO2.

研究の動機と目的

• 地域的に入手可能なれんが材料を用いた低コストでスケーラブルな光触媒ZnO薄膜の製造法の開発。
• 銅ドーピングがZnO薄膜の光触媒性能に与える影響の調査。
• ジルコニア添加が多孔質基板の多孔性および比表面積を向上させ、光触媒活性を向上させる役割を評価すること。
• UV光駆動による染料分解に効率的なZnO薄膜の構造的・表面的特性の最適化。

提案手法

• ZnOおよび銅ドーピングされたZnO薄膜は、高圧・高温のオートクレーブ内での熱処理法を用いてセラミックス基板上に堆積した。
• セラミックス基板は、多孔質を誘導するためにジルコニア（ZrO2）を異なる割合で添加した地域のれんがから作成された。
• 結晶構造および相純度の確認のため、X線回折（XRD）を用いた構造的特徴評価を実施した。
• 表面状態および多孔性の評価のため、走査型電子顕微鏡（SEM）による形態解析を実施した。
• 元素組成およびドーピング効率の確認には、エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いた。
• 光触媒活性は、UV放射下での毒性有機染料の分解をモニタリングすることにより、UV-Vis分光光度法で定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅ドーピングは、多孔質セラミックス基板上に堆積したZnO薄膜の光触媒効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ジルコニア添加は、れんがを基盤とするセラミックス基板の多孔性および比表面積にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 基板の多孔性は、UV光下での有機染料の分解速度にどのように影響を及けるか？
• RQ4 オートクレーブ内での単純な熱処理法により、低コスト基板上に効果的かつスケーラブルな光触媒ZnO薄膜を形成できるか？

主な発見

• れんがを基盤とするセラミックス基板にジルコニアを添加することで、多孔性が顕著に向上し、光触媒反応に寄与する比表面積が増加した。
• ジルコニア修飾基板上に堆積した銅ドーピングZnO薄膜は、UV光照射下で7時間で毒性有機染料を90.5%まで分解した。
• XRD分析により、ZnOのウルツァイト構造および銅のZnO格子内への効果的な取り込みが確認された。
• SEM画像から、ジルコニアドーピング基板上に多孔質で相互に接続された微細構造が観察され、光吸収性および反応物のアクセス性が向上した。
• EDS結果から、銅がZnOマトリックス中に均一に分布していることが確認され、効果的なドーピングが実現していることが裏付けられた。
• ジルコニアドーピング基板上に形成したCu:ZnOの光触媒性能は、非多孔質基板上に形成したドーピングなしZnOを上回り、ドーピングと基板工学の相乗効果が顕著に現れた。