[논문 리뷰] Degradation of Methylene Blue using Graphene Oxide-Tin Oxide Nanocomposite as Photocatalyst

M. Bakhtiar Azim, Intaqer Arafat Tanim외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 17.

Advanced Nanomaterials in Catalysis인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 수중 메틸렌파란(MB) 염료를 분해하기 위한 광촉매로 그래핀 옥사이드-스티빈 옥사이드(GO-SnO2) 나노복합체를 개발한다. 이 복합체는 전하 분리 성능을 향상시켜 전자-정공 재결합을 감소시키며, 순수한 SnO2나 GO보다 뛰어난 MB 분해 효율을 보이며 고도의 폐수 처리 응용 분야에서의 잠재력을 입증한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 산업용 염료 폐수, 특히 발암성 물질인 메틸렌파란과 같은 유해 물질이 증가하는 환경적·건강적 위험을 해결하기 위해.
• 빠른 전자-정공 재결합으로 인해 광촉매 효율이 제한되는 SnO2의 문제점을 해결하기 위해.
• 전하 운반자 분리 성능을 향상시켜 메틸렌파란의 광촉매 분해 성능을 향상시키는 GO-SnO2 나노복합체를 합성하기 위해.
• 가시광선 조사 조건에서 메틸렌파란의 탈색 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 스티빈 옥사이드(SnO2) 나노입자는 액체상 공침법을 통해 합성되었다.
• 그래핀 옥사이드(GO)는 별도로 제조된 후, 용액 내에서 SnO2와 혼합되어 GO-SnO2 나노복합체를 형성하였다.
• 합성된 재료는 X선 회절(XRD), 주사전자현미경(SEM), 에너지 분산형 X선 분석(EDX)을 이용해 특성 분석되었다.
• 메틸렌파란의 광촉매 분해는 가시광선 조사 조건에서 테스트되었으며, 시간 경과에 따른 분해 효율이 측정되었다.
• 복합체의 성능 향상 여부를 평가하기 위해 순수한 SnO2, GO, 그리고 GO-SnO2 나노복합체 간의 성능을 비교하였다.
• 이질구조계에서 향상된 전하 분리 및 감소된 재결합을 바탕으로 반응 메커니즘을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GO-SnO2 나노복합체는 가시광선 조사 조건에서 메틸렌파란을 효과적으로 분해할 수 있는가?
• RQ2 GO-SnO2의 광촉매 효율은 순수한 SnO2나 GO보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 GO와 SnO2 사이의 이질구조가 전자-정공 재결합 억제에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 나노복합체는 전하 운반자 분리 및 이동을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 복합체 구조는 메틸렌파란의 양자 수율 및 총 분해 동역학을 향상시키는가?

주요 결과

• GO-SnO2 나노복합체는 순수한 SnO2나 GO 단독보다 메틸렌파란에 대해 훨씬 높은 광촉매 분해 효율을 나타내었다.
• XRD 및 SEM 분석을 통해 GO 시트에 균일하게 분산된 SnO2를 포함한 나노복합체의 성공적인 형성을 확인하였다.
• EDX 결과에서 Sn, O, C 원소의 존재가 확인되어 재료의 복합체 성격을 입증하였다.
• GO와 SnO2 간의 이질구조로 인해 전하 분리 성능이 향상되어 전자-정공 재결합이 감소하였다.
• 정량적 분석 결과, 동일한 실험 조건에서 나노복합체가 더 높은 MB 탈색 속도를 보이며 뛰어난 분해 효율을 확보하였다.
• 이 연구는 GO를 SnO2에 도입함으로써 광촉매 성능이 향상됨을 확인하였으며, 이는 염료 오염 폐수 처리에 실용적인 후보로 적합함을 시사한다.