光触媒の研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4000 (2023) この記事を引用

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この研究では、BiOI@NH2-MIL125(Ti)/ゼオライト ナノ複合材料を使用した光触媒プロキソン プロセスでトルエンとエチルベンゼンを分解しました。 オゾンと過酸化水素が同時に存在することは、プロキソンプロセスとして知られています。 ソルボサーマル法を用いてナノ複合材料の合成を行った。 入口空気流、オゾン濃度、H2O2 濃度、相対湿度、および初期汚染物質濃度が研究されました。 ナノ複合材料は、FT-IR、BET、XRD、FESEM、EDS 元素マッピング、UV-Vis スペクトル、TEM 分析に基づいて合成に成功しました。 流量0.1 L min-1、オゾン0.3 mg min-1、過酸化水素150 ppm、相対湿度45%、汚染物質50 ppmvが最適な動作条件であることがわかりました。 これらの条件下では、両方の汚染物質が 95% 以上分解されました。 トルエンとエチルベンゼンの場合、相乗メカニズム効果係数はそれぞれ 1.56 と 1.76 でした。 ハイブリッドプロセスでは効率が 95% 以上を 7 回維持し、安定性も良好でした。 光触媒プロキソンプロセスの安定性を 180 分間評価しました。 プロセス中の残留オゾンレベルはわずかでした（0.01 mg min-1）。 光触媒プロキソンプロセスにおける CO2 と CO の生成は、トルエンについてはそれぞれ 58.4、5.7 ppm、エチルベンゼンについては 53.7、5.5 ppm でした。 酸素ガスは汚染物質の効果的な除去を促進し、窒素ガスは抑制効果がありました。 汚染物質の酸化中に、さまざまな有機中間体が同定されました。

揮発性有機化合物 (VOC) は、顔料、有機化学物質、石油化学製品、医薬品などの多くの工業プロセスで生成されます。 人間の健康、特に産業労働者は、ほとんどの VOC によって悪影響を受けます。 したがって、周囲または職場の空気中の VOC を管理する必要があります 1、2。 トルエンとエチルベンゼンは、VOC の指標となる BTEX (ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン) ファミリーのメンバーです。 個人および/または業界はトルエンを広範囲に使用しており、急性または慢性的に暴露されると極度の健康影響を引き起こす可能性があります。 トルエンが人間に化学性肺炎、吐き気、嘔吐、痛み、皮膚炎などの呼吸器疾患を引き起こす可能性があることはよく知られています3。 タバコの煙、ガソリン、天然油にはエチルベンゼンが含まれています。 エチルベンゼンは、血液、肝臓、腎臓に影響を与えるだけでなく、癌を引き起こします4。 現在、産業における BTEX の分解には、吸着プロセス 5、触媒酸化プロセス 6、光触媒酸化プロセス 7、非熱プラズマプロセス 8、生物学的分解プロセス 9 などの多くの方法が適用されています。 BTEX の除去に高度な酸化プロセス (AOP) を使用することは、ラジカル生成に基づく有望なアプローチです10。 オゾン化プロセス (OP) とその派生プロセスを含む、AOP のサブセットの 1 つ。 周囲温度での BTEX 除去のためのオゾン処理プロセスは、エネルギー節約を考慮すると、他の技術と比較して有利です 12。 光触媒 13、O3/H2O2 (プロキソンプロセス)14、O3/超音波などの補助プロセスにより、OP のパフォーマンスを向上させることができます。 プロキソンプロセスでは、トルエンとエチルベンゼンの主な鉱化機構は、OH・、O2・-、その他のラジカルなどのフリー酸化ラジカルによる間接酸化に依存しています14。 また、不均一系触媒を反応場に添加し、触媒表面に電子・正孔対を生成させることにより、光触媒作用により良好なミネラリゼーションを得ることができます。これを光触媒プロセスといいます13。 最近の研究は、ガス貯蔵、不均一触媒作用、選択的吸着、およびセンサー技術における潜在的な用途のため、規則的な細孔構造を持つ金属有機フレームワーク (MOF) に焦点を当てています。 MOF は主に金属イオンまたは金属イオンのクラスターと、リンカーとして機能する有機分子で構成されています。 二座、三座、または四座配位子は、典型的な有機単位です15。 MOF の中で、MIL ファミリーは最も重要なものの 1 つです。 NH2-MIL125 は等構造的に MIL-125 と同一ですが、合成には DMF よりもかなり高い割合のメタノールが必要です。 H2BDC を 2-アミノ ベンゼン ジカルボン酸に置き換えることによって調製できます。 NH2-MIL125 のアミン基は表面積と細孔サイズを縮小すると予想されますが、構造内のアミン基の正確な位置は決定されていません 16。 NH2-MIL125(Ti) は、適切なバンドギャップにより、有機汚染物質の光​​触媒分解と水素の発生に貢献します。 急速な電荷再結合を示しますが、十分な構造安定性はありません。 光触媒活性を向上させるために、メンタルカチオンを有機リガンドで置換したり、貴メンタルカチオンを堆積したりするなど、多くの技術が適用されてきました17。 BiPO4、BiVO4、Bi2WO6、および BiOX (X = Cl、Br、I) は、光触媒特性および光学特性を改善するために広範に研究されているビスマス含有半導体です。 光触媒の中でも、BiOI はその異方性層形成と適切なバンドギャップにより特に有望です。 バンドギャップが狭いため、可視光に強く応答できます19。 高速再結合と安定性の問題を克服するには、ヘテロ接合構造と MOF を組み合わせることが推奨されます。 ゼオライトの大きくて快適な細孔により、ゼオライトは優れた触媒または吸着剤になります。 ゼオライト構造には Al および Si 元素が含まれており、これらは気相中の汚染物質を捕捉するのに適した空間を提供します20。 この研究の新規性は、新しい BiOI@NH2-MIL125(Ti)/ゼオライト (BiOI@MOF/Z) ナノ複合材料の合成と、初めてトルエンとエチルベンゼンを除去する光触媒プロキソンプロセスの開始触媒として使用したことです。 この研究の主な目的は次のとおりでした: (i) 汚染された空気からのトルエンおよび EB 除去のための触媒酸化プロセスの性能を向上させる BiOI@MOF/Z ナノ複合材料を合成し、FESEM、FT-IR、 EDS マッピング、TEM、XRD、BET、UV-Vis 分析。 (ii) 光触媒プロキソン プロセスのパフォーマンスをパラメータ (流量、オゾン濃度、H2O2 濃度 (HP)、相対湿度 (RH)、初期汚染物質濃度など) に関して検査し、(iii)相乗効果メカニズム効果、触媒の安定性と再利用性、プロセス内に残留するオゾン量の推定、トルエンとエチルベンゼンの同時除去、キャリアガスとしての酸素と窒素ガスの効果の調査、トルエンとEBの理論的無機化速度と放出物の計算CO と CO2、副産物、および考えられる経路を最適な状態に保ちます。