Аннотация
Синтез, характеристика и фотокаталитическая активность нанокомпозитов поли-винилового спирта/оксида цинка (PVA/ZnO) имеют важное значение благодаря их широкому применению в области очистки окружающей среды, оптоэлектроники и биомедицинской инженерии. Исследователи изучали активность нанокомпозитов PVA/ZnO под воздействием ультрафиолетового света. В данной работе нанокомпозиты PVA/ZnO были получены методом химического осаждения «снизу вверх» и систематически сопоставлены с чистыми наночастицами ZnO для оценки их структурных, оптических и фотокаталитических свойств.
Экологическая значимость
Загрязнение окружающей среды, в частности водных ресурсов токсичными красителями и тяжёлыми металлами, является глобальной проблемой. Среди различных красителей кристаллический виолет представляет собой катионный краситель с высокой растворимостью в воде и этаноле, обладающий сильным поглощением около 590 нм. Его токсичность и устойчивость делают его серьёзной экологической угрозой. Традиционные методы очистки сточных вод, такие как адсорбция и коагуляция, имеют ограничения по эффективности и стоимости. В отличие от них, фотокаталитическое разложение на основе полупроводниковых нанокомпозитов обеспечивает эффективное, экономичное и экологически безопасное решение для удаления красителей.
Синтез и структурная характеристика
Нанокомпозиты PVA/ZnO были синтезированы методом химического осаждения, где поли-виниловый спирт выступал в качестве стабилизатора и модифицирующего агента. Рентгеноструктурный анализ (XRD) подтвердил вюрцитную кристаллическую структуру ZnO и показал, что введение PVA уменьшает интенсивность дифракционных пиков ZnO, что связано с формированием смешанных фаз и увеличением структурных искажений. Средний размер кристаллитов ZnO составил менее 50 нм, а нанокомпозиты проявили более высокую плотность дислокаций и микронапряжений по сравнению с чистым ZnO.
Просвечивающая электронная микроскопия (TEM) выявила, что и ZnO, и PVA/ZnO состоят из поликристаллических наночастиц с галькой-подобной морфологией и средним размером менее 49 нм. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и энергодисперсионный анализ (EDX) подтвердили равномерное распределение элементов и хорошую дисперсию наночастиц в полимерной матрице.
Оптические и механические свойства
Оптическая характеристика методом УФ-видимой спектроскопии показала ширину запрещённой зоны 3.14 эВ для ZnO и 3.09 эВ для PVA/ZnO. Незначительное уменьшение ширины запрещённой зоны указывает на улучшенное поглощение света, что благоприятно для фотокатализа. Исследования фотолюминесценции (PL) продемонстрировали, что введение PVA снижает безызлучательную рекомбинацию носителей заряда, улучшая оптические свойства.
Механический анализ, основанный на расчётах модуля Юнга, показал, что нанокомпозиты PVA/ZnO обладают большей стойкостью к напряжениям и более высокой плотностью энергии по сравнению с чистым ZnO. Это объясняется наличием гибкой полимерной матрицы, обеспечивающей равномерное распределение механических нагрузок.
Фотокаталитическая активность
Фотокаталитическая активность ZnO и PVA/ZnO была оценена по разложению красителя кристаллический виолет под УФ-облучением. Через 90 минут степень разложения составила 49% для ZnO и 48% для PVA/ZnO. Константы скорости реакции равнялись 0.00747 мин⁻¹ и 0.00694 мин⁻¹ соответственно, что указывает на сопоставимую активность. Незначительное отличие связано с изменением поверхностных состояний наночастиц ZnO под влиянием PVA.
Более широкие применения и перспективы
Помимо разложения красителей, нанокомпозиты PVA/ZnO имеют перспективные области применения:
Очистка окружающей среды: удаление органических загрязнителей, очистка сточных вод, обеззараживание.
Оптоэлектроника: сенсоры, фотодетекторы, светоизлучающие устройства.
Биомедицинская инженерия: доставка лекарств, антибактериальные покрытия, тканевая инженерия.
Энергетика: суперконденсаторы, солнечные батареи, цинк-ионные аккумуляторы.
Введение PVA улучшает дисперсию наночастиц, модифицирует электронную структуру, снижает рекомбинацию электрон-дырки и повышает стабильность материала. Эти характеристики расширяют возможности применения нанокомпозитов PVA/ZnO в современных технологиях.
Заключение
В данной работе успешно реализован синтез и характеристика нанокомпозитов поли-винилового спирта/оксида цинка (PVA/ZnO) методом химического осаждения. Структурные исследования подтвердили наномасштабные размеры частиц с увеличенной плотностью дефектов. Оптические и механические исследования показали улучшенные свойства по сравнению с чистым ZnO. Фотокаталитические тесты продемонстрировали сопоставимую эффективность PVA/ZnO и ZnO в разложении красителя кристаллический виолет.
Таким образом, нанокомпозиты PVA/ZnO обладают высоким потенциалом в области фотокатализа, очистки окружающей среды и оптоэлектроники.
Ключевые слова: синтез, характеристика, фотокаталитическая активность, поли-виниловый спирт (PVA), оксид цинка (ZnO), нанокомпозит, разложение кристаллического виолета, очистка окружающей среды
Читайте далее