شیمى کاربردى روز

شیمى کاربردى روز

سنتز و بررسی خواص و کاربردهای نانوصفحه‌های اکسیدمس (CuO) دوبعدی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
1 آزمایشگاه تحقیقاتی شیمی کاربردی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
2 گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
در پژوهش حاضر، نانوصفحات اکسیدمس (CuO) به روش پایین به بالا (هیدروترمال) سنتزشد. خواص ساختاری، مورفولوژی و اندازه ذرات نانوصفحات سنتز شده با استفاده از آنالیزهای الگوی پراش ایکس (XRD)، تصاویر میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (FE-SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورد بررسی قرارگرفت. علاوه براین، خواص فتوکاتالیستی نانوصفحات سنتز شده به روش هیدروترمال در حذف ماده رنگزای آلی راکتیوسیاه 5 مطالعه و از سوی دیگر، فعالیت فتوکاتالیستی این نانوصفحات با نانوذرات کروی اکسیدمس مقایسه شد. انتقال بار در طی فرآیند فتوکاتالیستی و خواص الکتروشیمیایی نانوصفحات در مقایسه با نانوذرات به ترتیب توسط آنالیز‌های جریان نوری (فتوکارنت) ، فتولومینسانس و امپدانس مورد بررسی قرارگرفت. نتایج نشان داد که نانوصفحات اکسیدمس دارای میزان حذف بالاتری (42/79) نسبت به نانوذات اکسیدمس (23/32) می‌باشند. از طرف دیگر، افزایش چگالی جریان نوری و کاهش مقدار مقاومت امپدانس الکتروشیمیایی، کاهش میزان سرعت ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره تولید شده توسط نور را در نانوصفحات نسبت به نانوذرات اکسیدمس پشتیبانی می‌کند. همچنین، افزایش مساحت سطح نانوصفحات در مقایسه با نانوذرات اکسیدمس منجر به ایجاد سایت‌های فعال برای تولید رادیکال‌های هیدروکسیل توسط حفره‌های ایجاد شده در نوار ظرفیت شد تا کارایی فتوکاتالیستی را افزایش دهد. در نهایت نانوصفحات اکسیدمس می‌توانند به عنوان فتوکاتالیست‌هایی با فعالیت بالا برای حذف آلاینده‌های رنگزا و دارویی معرفی شوند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Synthesis and investigation of properties and applications of 2D copper oxide (CuO) nanosheets

نویسندگان English

Mohammad Reza Jabbari 1
Mohammadhossein Rasoulifard 1 2
Seyyedeh Fatemeh Hosseini 1
1 Applied Chemistry Research Laboratory, Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
2 Department of Applied chemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

In the present study, copper oxide (CuO) nanosheets were synthesized by a bottom-up (hydrothermal) method. The structural properties, morphology and particle size of the synthesized nanosheets were investigated using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and transmission electron microscopy (TEM) analyses. In addition, the photocatalytic properties of the hydrothermally synthesized nanosheets in the removal of the organic dye reactive black 5 were studied and on the other hand, the photocatalytic activity of these nanosheets was compared with spherical copper oxide nanoparticles. The charge transfer during the photocatalytic process and electrochemical properties of the nanosheets and the nanoparticles were investigated by photocurrent, photoluminescence and impedance analyses, respectively. The results showed that copper oxide nanosheets had a higher removal rate (79.42) than copper oxide nanoparticle (32.23). On the other hand, increasing the photocurrent density and decreasing the electrochemical impedance value support the reduction of the recombination rate of the electron-hole pair generated by the light in the nanosheets compared to the copper oxide nanoparticles. Also, the increase in the surface area of the nanosheets compared to the copper oxide nanoparticles led to the creation of active sites for the generation of hydroxyl radicals by the holes created in the valence band to increase the photocatalytic efficiency. Finally, the copper oxide nanosheets can be introduced as highly active photocatalysts for the removal of dye and pharmaceutical pollutants.

کلیدواژه‌ها English

Two- dimensional (2D) materials
nanosheets
copper oxide
photocatalyst
reactive black 5
[1] Butler, S. Z., Hollen, S. M., Cao, L., Cui, Y., Gupta, J. A., Gutiérrez, H. R., . . . Ismach, A. F. (2013). Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS nano, 7(4), 2898- 2926.
[2] Geim, A. K., & Grigorieva, I. V. (2013). Van der Waals heterostructures. nature, 499(7459), 419-425.
[3] Hwang, H. Y., Iwasa, Y., Kawasaki, M., Keimer, B., Nagaosa, N., & Tokura, Y. (2012). Emergent phenomena at oxide interfaces. Nature materials, 1(2), 103-113.
[4] Mas-Balleste, R., Gomez-Navarro, C., Gomez-Herrero, J., & Zamora, F. (2011). 2D materials: to   graphene and beyond. Nanoscale, 3(1), 20-30.
[5] Naguib, M., & Gogotsi, Y. (2015). Synthesis of two-dimensional materials by selective extraction. Accounts of chemical research, 48(1), 128-135.
[6] Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T., Khotkevich, V., Morozov, S., & Geim, A. K. (2005). Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(30), 10451-10453.
[7] Li, Y., Cao, D., Liu, Y., Liu, R., Yang, F., Yin, J., & Wang, G. (2012). CuO nanosheets grown on cupper foil as the catalyst for H2O2 electroreduction in alkaline medium. International Journal of Hydrogen Energy, 37(18), 13611-13615.
[8] Li, R., Du, J., Luan, Y., Xue, Y., Zou, H., Zhuang, G., & Li, Z. (2012). Ionic liquid precursor-based synthesis of CuO nanoplates for gas sensing and amperometric sensing applications. Sensors and Actuators B: Chemical, 168, 156-164.
[9] Kalantar-Zadeh, K., Ou, J. Z., Daeneke, T., Mitchell, A., Sasaki, T., & Fuhrer, M. S. (2016). Two dimensional and layered transition metal oxides. Applied Materials Today, 5, 73-89.
[10] Raadi, Z., Rahimi, A., Ghanbari, H., & Sarpoolaky, H. (2022). 2D materials; Introduction, classifications, properties, and applications. Journal of Advanced Materials and Technologies, 10(4), 37-75.
[11] Rao, M. P., Wu, J. J., Asiri, A. M., Anandan, S., & Ashokkumar, M. (2018). Photocatalytic properties of hierarchical CuO nanosheets synthesized by a solution phase method. Journal of Environmental Sciences, 69, 115-124.
[12] Dar, M., Ahsanulhaq, Q., Kim, Y., Sohn, J., Kim, W., & Shin, H. (2009). Versatile synthesis of rectangular shaped nanobat-like CuO nanostructures by hydrothermal method; structural properties and growth mechanism. Applied Surface Science, 255(12), 6279-6284.
[13] Katal, R., Masudy-panah, S., Kong, E. Y.-J., Khiavi, N. D., Farahani, M. H. D. A., & Gong, X. (2020). Nanocrystal-engineered thin CuO film photocatalyst for visible-light-driven photocatalytic degradation of organic pollutant in aqueous solution. Catalysis Today, 340, 236-244.
[14] Ramesh, S., Vinitha, U., Anthony, S. P., & Muthuraman, M. S. (2021). Pods of Acacia nilotica mediated synthesis of copper oxide nanoparticles and it’s in vitro biological applications. Materials Today: Proceedings, 47, 751-756.
[15] Aroob, S., Carabineiro, S. A., Taj, M. B., Bibi, I., Raheel, A., Javed, T., . . . Kamwilaisak, K. (2023). Green synthesis and photocatalytic dye degradation activity of CuO nanoparticles. Catalysts, 13(3), 50.
[16] Meshram, S., Adhyapak, P., Mulik, U., & Amalnerkar, D. (2012). Facile synthesis of CuO nanomorphs and their morphology dependent sunlight driven photocatalytic properties. Chemical Engineering Journal, 204, 158-168.
[17] Abaker, M., Umar, A., Baskoutas, S., Kim, S., & Hwang, S. (2011). Structural and optical properties of CuO layered hexagonal discs synthesized by a low-temperature hydrothermal process. Journal of Physics D: Applied Physics, 44(15), 155405.
[18] Prathibha, C., Srinivas, M., & Kumar, S. G. (2025). Review on Ti3C2 MXene based binary and ternary composites for photocatalytic applications. Inorganic Chemistry Frontiers.
[19[ Hosseini, S. F., Dorraji, M. S. S., & Rasoulifard, M. H. (2023). Boosting photo-charge transfer in 3D/2D TiO2@ Ti3C2 MXene/Bi2S3 Schottky/Z-scheme heterojunction for photocatalytic antibiotic degradation and H2 evolution. Composites Part B: Engineering, 262, 110820.
 [20] Latifian, P., Hosseini, S. F., Dorraji, M. S. S., & Rasoulifard, M. H. (2023). Fabrication of Ti-doped Bi2S3/NiO pn heterojunction with enhanced visible-light–driven photocatalytic activity. Journal of Molecular Liquids, 376, 121445.
[21] Kang, S., Qin, H., Zhang, L., Huang, Y., Bai, X., Li, X., . . . Cui, L. (2017). Efficient photocatalytic bilirubin removal over the biocompatible core/shell P25/g-C3N4 heterojunctions with metal-free exposed surfaces under moderate green light irradiation. Scientific reports, 7(1), 44338.
[22]  Singh, R., Kumar, M., Khajuria, H., Ladol, J., & Sheikh, H. N. (2018). Hydrothermal synthesis of magnetic Fe 3 O 4–nitrogen-doped graphene hybrid composite and its application as photocatalyst in degradation of methyl orange and methylene blue dyes in presence of copper (II) ions. Chemical Papers, 72, 1181-1192.
[23] Amani-Ghadim, A. R., Khodam, F., & Dorraji, M. S. S. (2019). ZnS quantum dot intercalated layered double hydroxide semiconductors for solar water splitting and organic pollutant degradation. Journal of Materials Chemistry A, 7(18), 11408-11422.
[24] Puga, F., Navío, J., & Hidalgo, M. (2024). A critical view about use of scavengers for reactive species in heterogeneous photocatalysis. Applied Catalysis A: General, 119879.
[25] Ahmadi, M., & Dorraji, S. (2021). MS; Hajimiri, I.; Rasoulifard, MH The Main Role of CuO Loading against Electron-Hole Recombination of SrTiO3: Improvement and Investigation of Photocatalytic Activity, Modeling and Optimization by Response Surface Methodology. J. Photochem. Photobiol. A Chem, 404, 112886.