CTABとグリシンの混合物によって合成されたBiFeO3粉末の光触媒特性

Jul 30, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12338 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

高純度の BiFeO3 (BFO) 粉末を、臭化セチルトリメチルアンモニウム (CTAB) とグリシンを燃料としてさまざまな燃料対酸化剤 (φ) 比で使用し、溶液燃焼合成法によって調製しました。 微細構造特性、形態、光学特性、および熱分析は、それぞれ X 線回折 (XRD)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、拡散反射分光法 (DRS)、および示差熱/熱重量分析 (DTA/TGA) によって研究されました。 異なる燃料含有量で調製された燃焼粉末には、Bi24Fe2O39 や Bi2Fe4O9 などの少量の不純物相が含まれていました。 BFO 粉末を 600 °C で 1 時間焼成すると、ほぼ純粋な BFO 相が生成しました。 燃焼粉末は、90分間の可視光照射により、φ=2でメチレンブルー染料の約80%を光分解した。

単相 BiFeO3 (BFO) は、R3c 空間群を示す歪んだ菱面体晶およびペロブスカイト構造を持つマルチフェロイック材料です。 最大 830 °C の高いキュリー温度での強誘電体性能と 370 °C のネール温度での反強磁性挙動により、この材料は不揮発性メモリデバイス、太陽光発電、センサー、スピントロニクスへの応用が検討されています 1、2、3、4。 ペロブスカイト構造を有するこれらの豊富で興味深い化合物は、改善された組成および構造の調整可能性を示すことも知られています 5,6。 BFO は、バンドギャップが 2.2 ～ 2.8 eV の範囲で狭く、化学的安定性が高いため、有機汚染物質を分解する可視光光触媒であると考えられています7。 TiO2、ZnO、CdS、ZnS などの多くの光触媒は、紫外 (UV) 光照射下で色素を光分解するために使用されています 8、9、10、11、12、13。 ただし、UV は太陽光スペクトルのごく一部 (約 4%) にすぎません。 したがって、より広範囲をカバーする可視光触媒を開発するために多くの努力がなされてきた14、15、16、17、18、19。

Bi2O3、Bi2Fe4O9、Bi24Fe2O39 などの不純物相は、相形成速度論により BFO の合成中に現れます。 したがって、多くの研究者がこれらの二次相を除去するためのさまざまな合成ルートを開発しました。 純粋な BFO の合成には、水熱法 20,21、ポリマー補助水熱法 22、ゾルゲル 23、共沈法 24,25,26、エアロゾルスプレー、エレクトロスピニング 27、ソルボサーマルルート 28、および溶液燃焼 29 が使用されました。

純粋な BFO 粉末を合成するための、シンプルで、環境に安全で、エネルギー効率の高い方法の開発は、非常に興味深いものです。 溶液燃焼合成 (SCS) は、さまざまなナノ材料を製造するための単純で、比較的安価で、高速な化学プロセスです 30。 金属硝酸塩とさまざまな有機燃料 (グリシン、クエン酸、尿素など) の混合物の間で自己伝播発熱反応が起こり、大量のガス状生成物が放出されます 29。

さまざまな有機燃料の中でも、グリシンは、分子の両端にあるカルボン酸とアミノ基により、溶液中で金属イオン錯体の形成を促進するアミノ酸です31。 同様に、臭化セチルトリメチルアンモニウム (CTAB) は高い分解温度を持つカチオン性界面活性剤であり、前駆体の表面張力を最小限に抑えて粒子の形状、サイズ、微細構造を制御するために広く使用されています32。 BFO は、Bi2Fe4O9 や Bi24Fe2O3933 などの不純物相を含む、マイクロ波支援溶液燃焼によるグリシン燃料によって合成されています。 私たちの以前の研究では、BFOはさまざまな単一燃料と混合燃料を使用して、燃料対酸化剤比1の一定で合成されましたが、この研究では、さまざまな燃料対酸化剤比（φ）を0.5から232、33、34まで変化させました。

それにもかかわらず、異なる燃料を組み合わせる方が、反応温度、種類、放出されるガス状生成物の量の制御が改善され、個別の燃料を組み合わせるよりも効果的になる可能性があります。 したがって、この研究では、グリシンと CTAB をさまざまな燃料対酸化剤の量でユニモル比で混合し、ほぼ純粋な単相 BFO を合成しました。