pvp包封和非包封CdSe纳米颗粒增强光催化降解甲基蓝的研究

摘要

半导体纳米粒子的量子约束是一种潜在的光催化特性，硒化镉是一种简单的量子点类型，可用于有机染料的光催化降解。采用化学还原法制备了不同浓度比的聚乙烯吡咯烷酮包覆CdSe纳米颗粒，并对其进行了表征。样品的透射电镜分析表明，50% pvp包封的CdSe纳米颗粒粒径均匀，平均为2.7 nm，形状呈球形。光催化降解水中甲基蓝(MB)的效率分别为31%和48%。pvp包封CdSe纳米颗粒的效率表明，一个完整的绿色过程可用于水和废水的光催化处理。

1.介绍

纳米技术为新技术提供新的途径，并有可能触及卫生，环境和经济问题的所有应用领域[1-3.］．世界各地都发现了环境问题，水处理是生命的一个重要方面。各种污染物可以在水中发现，其中有有机污染物是严重关注的[4.-6.］．纳米粒子具有尺寸可调、机制新颖等新特性，是一项有前途的技术。因此，纳米颗粒可作为光催化剂，在UV-Vis照射下促进染料等有机污染物的降解[6.-8.］．

存在不同类型的纳米颗粒，可用于有机污染物的光降解。由于它们的可用性，在光催化中，氧化钛和氧化锌在光催化中被赋予了很多关注，并且它们已知几个世纪[9.-12.］．完成了许多调查，以提高TIO的表现₂作为催化剂。还试图带来新功能的尝试调查其他类型的材料[5.那6.那8.那12.］．具有调谐带隙能量的Cdse纳米颗粒可以合成，并且可以在除光催化之外发挥重要作用，除了其他应用，例如激光二极管，催化，发光二极管，太阳能电池和生物标记[13.］．已经建立了制备CDSE纳米颗粒的不同方法，例如水热方法，以研究有机污染物的光催化活性[14.］．

在该研究中，使用PVP在室温下以不同浓度的封端剂合成CDSE纳米颗粒。用亚甲基蓝色染料作为模型有机污染物，对其光催化活性进行了表征和测试的封端和未植物的CDSE纳米颗粒。

2.方法论

2.1。化学品

硼氢化钠、硒粉、氯化镉、聚乙烯吡咯烷酮(PVP, Mw 40000)、亚甲基蓝(MB)和甲醇均购自Sigma-Aldrich。所有的化学物质都是分析级的，而且都是买来的。

2.2。CDSE纳米粒子的合成

对于典型的合成未花纹CDSE，将25.3mg硒粉末（0.320mmol）置于100ml三颈圆底烧瓶中，然后在氮气氛下。通过在搅拌下加入20.0ml硼氢化钠（0.320mmol），减少硒。使反应进行3小时以便完全减少硒。20.0mL CDCl溶液₂将（0.320mmol）加入到烧瓶含量中，在室温下保持搅拌一小时。使用离心机（5000rpm 10分钟的每个循环）用甲醇洗涤纳米颗粒，在空气中干燥48小时。使用与未存在的CdSe纳米颗粒相同的方法合成PVP封端的CDSE纳米颗粒，但是0.320mmol CDCl₂同时加入20.0mL PVP（1.288g）。通过改变PVP的质量来考虑四种不同的PVP浓度。因此，合成了1％，25％，50％和75％的PVP封端的CDSE纳米颗粒。

2.3。光催化活性评价

使用MB染料在配备有12W紫外灯和蠕动泵的光反应器中在12W下设置的MB染料作为模型污染物评估未缩合和PVP封端CDSE纳米颗粒的光催化活性。用于连续气流的蠕动泵，以确保催化剂和溶液在反应器中均匀混合。所有光降解实验在25℃下进行。通常，将5mg CDSE纳米颗粒加入到100mL烧杯中的50ml 10ppm MB水溶液中。将烧杯用铝箔覆盖并在黑暗中搅拌30分钟以进行吸附和解吸平衡。在搅拌30分钟后，将5ml等分试样收集为初始标记（0分钟曝光），用于通过UV-Vis光谱仪吸收测量。同时，将剩余的溶液插入250ml光反应器中。为了检测与时间的Mb浓度的变化，在5,10,20,30,60和120分钟中收集等分试样，然后通过UV-Vis光谱仪分析。

2.4。表征

使用PerkinElmer Lambda 25 UV-Vis光谱仪在室温下进行吸收测量，其中波长范围为200nm至1100nm。从PerkinElmer光谱400 FTIR / NIR光谱仪收集FTIR光谱，波数范围为650厘米^-1-4000 cm.^-1，分析在室温下进行。采用布鲁克D2相移x射线衍射仪测定了纳米颗粒的结晶特性。在200 KV的JEOL JEM-2100透射电子显微镜下测定了合成的CdSe纳米颗粒的形貌。

3.结果与讨论

在半导体纳米粒子中，由于其低带隙而定期制备的甲二醇镉，为其良好的性能做出更好的选择，并且产生的电子具有高负降低电位。可以使用各种方法容易地制备，包括在室温下采用还原剂，硼氢化钠，诸如使用还原剂，硼氢化钠。硒化镉在可见区域中具有近730nm的散装带边缘，其可以通过控制粒度朝向UV区域调谐。

3.1。UV-Vis光谱分析

所有合成的CDSE纳米颗粒的UV-Vis吸收光谱如图所示1（a）．未缩合和封端的CDSE纳米颗粒的吸收峰均在600nm以下。所有吸收带边缘在500和600nm之间的蓝移植物，表明合成的纳米颗粒相对较小。拐点约为500nm是由于测量中的漂移。吸收带边缘的变化指示从具有和不具有PVP的合成中获得的不同类型的纳米颗粒。差异也可能是由于颗粒分布的变化和/或缺陷的主导地位。在50％PVP封端的CdSe纳米颗粒的光谱中较小的拖尾指示小且良好分散的颗粒。

陶焦图如图所示1（b）．对于所有合成的CDSE纳米颗粒，发现带间隙值的近似值在1.52-1.82eV的范围内。与本作工作中报道的其他百分比的PVP相比，50％PVP封端的CdSe纳米颗粒在吸收带边的最高能量中得到了最高能量。

3.2。TEM分析

合成的CDSE纳米粒子的TEM图像如图所示2．颗粒的形成不同，因为前体未被夹具或盖在不同浓度的PVP上。与PVP封端的CDSE纳米颗粒相比，用球形 - ，树突和花状形状和尺寸的混合物凝聚未浮孔颗粒。1％PVP封端的CDSE纳米颗粒显示出较大且较小的球状纳米颗粒的混合物。随着PVP的浓度增加，这些结构趋于减小到均匀和小的特征。在50％PVP封端，纳米颗粒变得良好分散并均匀分布，如图所示2（f）．这些颗粒的平均尺寸分​​布为2.7nm，而最大颗粒在该样品中的直径为4.5nm。然而，对于PVP浓度高于50％，OSTWALD成熟效果有利于其他作者报告的更大粒子[15.-18.］．mahmoud和el-mallah [15.]在各种浓度下使用PVP作为封端配体，用于合成CDSE纳米颗粒。报道了PVP封端的CDSE纳米颗粒，其由平均尺寸为2.3nm的较少凝聚的立方体状结构，并成功地用于光伏应用。

３．3.XRD分析

50％PVP封端和未存在的CDSE纳米颗粒的X射线衍射图案如图所示3.．合成的纳米颗粒相对显示一定程度的结晶度，以及所有主要峰与2θ约25°，42°和50°的值与CDSE的立方晶体的标准图案相匹配（JCPDS 19-0191）[19.］．发现由于杂质引起的峰。在PVP封端的CDSE纳米颗粒的XRD模式中观察到更多的峰缺陷，如肩部的外观所示。这可能是结构修改的结果，例如形状缺陷和尺寸。朝向下部达到2的峰值位置略微偏移约0.3°θ与未处成的材料的图案相比，在PVP封端的CDSE纳米颗粒的图案中观察到值。这可以表示由PVP在纳米颗粒表面上的结合引起的应变。

3.4。FTIR光谱分析

进行PVP封端的CdSe纳米颗粒的FTIR光谱分析以确认封端效果。由于其光学性质，特别选择50％PVP封端的CDSE样品用于该分析。纯PVP光谱中的峰是类似的50％PVP封端的CdSe纳米颗粒的峰，如图所示4.．几个峰的轻微偏移可归因于PVP与CDSE纳米颗粒的结合。-OH区域中的宽峰证实了PVP对CDSE纳米颗粒的结合，其中在3250cm处观察到峰值偏移^-1到3540厘米^-1．在3137厘米的区域中也观察到C-H芳族拉伸的转变^-1到3201厘米^-1结合CdSe纳米颗粒后，表示由于与镉离子的相互作用以及连续形成Cdse纳米颗粒而导致氢键的干扰。这使得从XRD分析观察到的结晶性能。

3．5．光催化活性评价

当PVP浓度为50%时，不同比例的PVP包封CdSe纳米颗粒的最佳制备条件。这是由于最大的吸收带边能量，良好的粒径分布，尺寸较小的均匀形状。因此，将该样品与未包封的CdSe纳米颗粒进行比较，以评价其光催化活性。光催化降解是通过将MB水溶液暴露在紫外光下，在未包封和50% pvp包封的CdSe纳米颗粒存在的情况下，分别在0、5、10、20、30、60和120 min。对应的吸收光谱如图所示5.．随着未结合的时间和50％PVP封端的CDSE样品增加，吸收峰强度随着暴露时间增加而降低。这表明具有暴露时间的MB的量的变化。剩余的MB浓度与初始浓度（C / C._0.）随着时间的推移，图中描绘了6.．确认光降解，因为在暴露于UV辐射后不相同的Mb不相同，因为对未缩角和50％的PVP封端的CDSE样品暴露。比率c / c_0.当使用50％PVP封端的CDSE纳米颗粒时降低。c / c_0.与具有0.65的值的未存在的CDSE纳米颗粒相比，值小于0.50。

随着时间的推移，MB的去除率逐渐增加，直到两种样品都达到了最佳活性，之后没有明显变化，如图所示7.．未包封的CdSe纳米颗粒在2小时后降解了31%的MB，而50% pvp包封的CdSe纳米颗粒在相同的暴露时间后降解了48%的MB。这表明，盖帽和未盖帽的CdSe纳米粒子的性质并不相同，在结构和光学行为上也不相同。PVP包覆纳米粒子的尺寸和表面积是影响其光催化性能的主要性能。以PVP为封盖剂制备的纳米颗粒由于生长受控，具有更好的光学和结构性能。Haldar等人[20.]使用纯CdSe纳米晶体和Au / Cdse异质结构作为用于水中R6g的催化剂。他们报告仅使用CDSE从水中除去27.3％的R6G，而Au / Cdse异质结构允许87.2％在相同的紫外线照射下除去相同的染料150分钟。

动力学研究显示在图中8.．安装的直线（未示出）无法覆盖LN中绘制的大部分点（C_0./ c）与时间曲线相比，R线值显示出不良的拟合，表明非线性，因此，降解不遵循一阶动力学。

4.结论

制备的CDSE纳米颗粒在所有百分比上使用PVP作为覆盖分子，具有较小的粒度的相对蓝色偏移的带边。XRD证实使用PVP作为封端剂合成CDSE纳米颗粒。50％PVP封端的CDSE纳米颗粒具有相对改善的结构和光学性质，并显示出均匀的分布，因此选择用于光降解的亚甲基蓝色。50％PVP封端的CdSe纳米颗粒在与未处理的CDSE纳米颗粒相比，在水中更好地光催化降解了亚甲基蓝。用于水样的MB的量应进一步优化100％光催化活性。在其他方面，应进一步研究UV-Vis辐照功率，以便对光催化剂的优化效果进行优化。此外，合成的纳米颗粒可以在许多应用中使用。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢南非国家研究基金会和瓦尔理工大学提供的资金和设施。

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