[論文レビュー] Degradation of Methylene Blue using Graphene Oxide-Tin Oxide Nanocomposite as Photocatalyst

M. Bakhtiar Azim, Intaqer Arafat Tanim+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2018

Advanced Nanomaterials in Catalysis被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、水中のメチレンブルー（MB）染料を分解するための光触媒として、酸化グラフェンスズ酸化物（GO-SnO2）ナノコンポジットを開発した。このコンポジットは、電荷分離を向上させ、電子・正孔再結合を低減し、純粋なSnO2やGOよりも優れたMB分解効率を達成しており、高度な廃水処理応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Environmental contamination and human exposure to dyes have dramatically increased over the past decades because of their increasing use in such industries as textiles, paper, plastics, tannery and paints. These dyes can cause deterioration in water quality by imparting color to the water and inducing the photosynthetic activity of aquatic organisms by hindering light penetration. Moreover, some of the dyes are considered carcinogenic and mutagenic for human health. Therefore, efficient treatment and removal of dyes from wastewater have attracted considerable attention in recent years. Photocatalysis, due to its mild reaction condition, high degradation, broad applied area and facile manipulation, is a promising method of solving environmental pollution problems. In this paper, we report the synthesis of graphene oxide-tin oxide (GO-SnO2) nanocomposite and the effectiveness of this composite in decolorizing Methylene Blue. Tin oxide was prepared by liquid phase co-precipitation method and graphene oxide-tin oxide (GOSnO2) nanocomposite were prepared by solution mixing method. Tin oxide (SnO2) nanoparticles have been ardently investigated as photocatalyst for water purification and environment decontamination but the photon generated electron and hole pair (EHP) recombination is one of the limiting factors. Graphene oxide-tin oxide (GO-SnO2) nanocomposite is very propitious to overcome this limitation for photocatalytic application. The as-synthesized graphene oxide (GO) and GO-SnO2 nanocomposite were characterized by X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The GO-SnO2 nanocomposite showed better photocatalytic degradation efficiency for Methylene Blue compared to SnO2 and Graphene oxide. Keywords: Graphene Oxide(GO),Methylene Blue, Nanocomposite, Photocatalyst, Photodegradation, Tin Oxide(SnO2).

研究の動機と目的

• 工業的染料効果水が引き起こす環境的・健康的リスク、特に発がん性を示す染料（メチレンブルーを含む）の増加に対処すること。
• SnO2の光触媒効率が、急速な電子・正孔再結合により制限されている問題を克服すること。
• 電荷キャリアの分離を向上させ、MBの光触媒的分解を改善するGO-SnO2ナノコンポジットの合成すること。
• 可視光照射下でのMBの脱色性能を、GO-SnO2ナノコンポジットの観点から評価すること。

提案手法

• スズ酸化物（SnO2）ナノ粒子は、液体相共沈法を用いて合成された。
• 酸化グラフェン（GO）は別途調製され、その後溶液中でSnO2と混合してGO-SnO2ナノコンポジットを形成した。
• 合成された材料は、X線回折（XRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）、およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いて分析された。
• メチレンブルーの光触媒的分解は、可視光照射下でテストされ、時間経過に伴う分解効率が測定された。
• 純粋なSnO2、GO、およびGO-SnO2ナノコンポジットの性能を比較し、コンポジット構造による効果向上を評価した。
• ヘテロジャンクション系における改善された電荷分離と再結合の低減に基づき、反応機構が分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GO-SnO2ナノコンポジットは、可視光照射下でメチレンブルーを効果的に分解できるか？
• RQ2 GO-SnO2の光触媒的効率は、純粋なSnO2やGOと比べてどのように異なるか？
• RQ3 GOとSnO2のヘテロジャンクションが、電子・正孔再結合を抑制する役割を果たすか？
• RQ4 ナノコンポジットは、電荷キャリアの分離および移動をどの程度向上させるか？
• RQ5 コンポジット構造は、MBの量子収率および全体的な分解キネティクスを向上させるか？

主な発見

• GO-SnO2ナノコンポジットは、純粋なSnO2やGO単体よりも顕著に高い光触媒的分解効率を示した。
• XRDおよびSEM分析により、GOシート上に均一に分散されたSnO2を有するナノコンポジットの形成が確認された。
• EDX結果により、Sn、O、Cの元素が存在することが確認され、材料のコンポジット性が裏付けられた。
• GOとSnO2間のヘテロジャンクションにより、電荷分離が向上し、電子・正孔再結合が低減した。
• 定量的評価において、同一実験条件下でナノコンポジットがより高いMB脱色速度を達成した。
• 本研究では、GOをSnO2に組み込むことで光触媒的性能が向上することを確認し、このコンポジットが染料を含む廃水処理の実用的候補であると示唆された。