Degradación fotocatalítica eficiente de contaminantes orgánicos sobre nanopartículas de TiO2 modificadas con nitrógeno y MoS2 bajo irradiación de luz visible

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8845 (2023) Citar este artículo

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Investigar el uso de luz visible para mejorar la degradación fotocatalítica de contaminantes orgánicos en aguas residuales. Nanocompuestos de titania y sulfuro de molibdeno dopados con nitrógeno (NTM NC) con diferentes proporciones de peso de MoS2 (1, 2 y 3% en peso) sintetizados mediante un método de estado sólido aplicado a la fotodegradación de azul de metileno (MB) bajo irradiación de luz visible. Los compuestos NTM sintetizados se caracterizaron mediante espectroscopia SEM, TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis, DRS y PL. Los resultados mostraron una mayor actividad de los nanocristales híbridos de NTM en la oxidación de MB en agua bajo irradiación de luz visible en comparación con el TiO2 puro. El rendimiento fotocatalítico de las muestras de NTM aumentó con el contenido de MoS2. Los resultados muestran que la eficiencia de fotodegradación del compuesto de TiO2 mejoró del 13 al 82 % en presencia de N-TiO2 y al 99 % en presencia de MoS2 que contiene N-TiO2, que es 7,61 veces mayor que la de TiO2. Los resultados de la caracterización óptica muestran una absorción mejorada de nanocompuestos en la región visible con una vida útil prolongada entre e/h+ en una proporción óptima de N-TiO2/MoS2 (NTM2). Los experimentos reutilizables indicaron que los fotocatalizadores NTM NC preparados eran estables durante la fotodegradación de MB y tenían aplicaciones prácticas para la remediación ambiental.

Las industrias textil, papelera, cosmética, farmacéutica y alimentaria hacen un amplio uso de colorantes 1,2,3. Debido a causas definidas, el agua contaminada con colorantes, especialmente de la industria textil, es difícil de limpiar. La mayoría de estos colorantes son de origen sintético y suelen consistir en anillos aromáticos en su estructura molecular, inertes y no biodegradables cuando se vierten en aguas residuales sin el tratamiento adecuado4,5. Por lo tanto, eliminar dichos tintes del agua contaminada es muy urgente en términos de protección de la salud humana y los recursos ambientales 6. Se cree que el azul de metileno (MB), el tinte base más utilizado, tiene múltiples usos en la industria de la impresión y el teñido 7. Según Según un informe, la industria textil representa cerca del 67% del mercado y/o consumo de tintes, con 120 metros cúbicos de aguas residuales industriales vertidas por cada tonelada de fibra producida. A pesar de la importancia del metilbromuro en muchas industrias, su presencia en el medio ambiente y la salud humana puede verse comprometida si no se gestiona de manera eficaz. En el cual el MB es cancerígeno y no se degrada debido a la característica estabilidad de los anillos aromáticos en la estructura molecular del MB. Las técnicas biológicas, químicas y físicas tradicionales, como la adsorción y la precipitación química, son reconocidas para el tratamiento de aguas residuales de teñido. Estos métodos son costosos, forman lodos o generan contaminantes secundarios, como la adsorción de colorantes en carbón activado, donde el contaminante solo se convierte de la fase líquida a la fase sólida, causando contaminación. infección secundaria. Por lo tanto, la descomposición de los colorantes en compuestos no tóxicos es fundamental y recomendable 8,9,10,11. Actualmente, los procesos de oxidación avanzada (AOP) están atrayendo una gran atención en el campo del tratamiento del agua 12. Para extender la vida útil de los pares de huecos de electrones fotogenerados, fotocatalizadores híbridos compuestos por heterouniones semiconductoras 14,15. Los semiconductores se han utilizado en AOP para degradar fotocatalíticamente contaminantes orgánicos, especialmente aquellos con la capacidad de absorber luz visible, debido a sus bandas prohibidas 13,14,15,16,17,18. Entre los semiconductores fotocatalíticos, el dióxido de titanio (TiO2) ha atraído un gran interés debido a su capacidad para descomponer fácilmente los contaminantes orgánicos, su fuerte capacidad oxidante, su baja toxicidad, su estabilidad química, su bajo costo y su disponibilidad19,20. El rendimiento fotocatalítico del TiO2 está determinado principalmente por la vida útil de los pares de huecos de electrones fotogenerados, pero la rápida tasa de recombinación de los pares de huecos de electrones en TiO2 limita su aplicación en fotocatálisis21. Para extender la vida útil de los pares de huecos de electrones fotogenerados, los fotocatalizadores híbridos compuestos de semiconductor las heterouniones deberían suprimir la rápida tasa de recombinación de los portadores de carga fotogenerados 22,23. En este sentido, se han realizado muchos esfuerzos para reducir la brecha de banda y mejorar su actividad fotocatalítica 24,25. Un material reconocido para extender el rango de fotorrespuesta a la luz visible es dopar TiO2 con un dopante no metálico, nitrógeno 26,27. La combinación de TiO2 y nitrógeno a diferentes niveles de energía mejora la eficiencia de separación de huecos de electrones y mejora la eficiencia de la reacción del fotocatalizador. Además, al combinar TiO2 con otros semiconductores de banda prohibida como MoS2, es posible crear fotocatalizadores heterogéneos. MoS2 es un material no tóxico, altamente estable, fuertemente oxidante y relativamente económico. Debido a su gran superficie, MoS2 puede actuar como un excelente catalizador para N-TiO228,29. MoS2 exhibe un ancho de banda sintonizable dependiente de la capa, un ancho de banda indirecto de 1,2 eV, un ancho de banda directo de 1,9 eV y una alta actividad catalítica teórica 30,31. Debido a su banda prohibida, los semiconductores se han utilizado en AOP para degradar fotocatalíticamente contaminantes orgánicos, especialmente aquellos con la capacidad de absorber luz visible. La combinación de N-TiO2 y MoS2 en diferentes niveles de energía mejora la eficiencia de la separación de electrones y huecos y mejora la eficiencia de la reacción fotocatalítica 32,33. El trabajo presentado aquí se centra en la fotodegradación impulsada por la luz visible de los contaminantes de un tinte, específicamente los tintes de azul de metileno (MB), en CO2 y H2O que no dañan el medio ambiente. novedoso hetero-nanocompuesto de N-TiO2/MoS2 (NTM) como fotocatalizador utilizando un método de estado sólido con síntesis a baja temperatura, rentabilidad y fácil control de la cinética de reacción en comparación con otros métodos. Además, las propiedades fisicoquímicas de las muestras obtenidas se han investigado exhaustivamente para descubrir la excelente actividad fotocatalítica para la descomposición de MB bajo radiación de luz visible en comparación con TiO2 puro. El NTM sintetizado ha demostrado ser un fotocatalizador eficaz para aplicaciones en protección ambiental.

Los productos químicos utilizados en este trabajo fueron: isopropóxido de titanio (IV) (TIPO) [Ti (OCH (CH3)2)4], molibdato de sodio (Na2MoO4), etilenglicol y tiourea con pureza (99,95%) se obtiene de la empresa petroquímica, Egipto. NaOH, NH4OH, etanol y ácido nítrico (HNO3) con pureza (90–99%) y colorante azul de metileno se adquirieron de Merck KGaA (Darmstadt, Alemania). Todas las soluciones se han preparado con agua recién desionizada. Y los compuestos comprados se usaron tal como se recibieron, sin purificación adicional.

Las NP de TiO2 se sintetizaron utilizando el método sol-gel 14. En una síntesis típica, se disolvió una cantidad apropiada de precursor de isopropóxido de Ti mezclado con dis-H2O en 87,5 ml de etanol y luego se agitó durante 4 h a temperatura ambiente, se lavó varias veces con agua desionizada. agua y etanol, y luego secado en estufa a 90 °C durante la noche. Finalmente, el polvo resultante se calcinó a 500 °C en una mufla durante 1 h al aire para extraer las NP de TiO2.

Se utilizó el método sol gel34 para sintetizar nanocompuestos de N&TiO2 (NT). En primer lugar, se añadieron 10 mL de TIPO a 40 mL de etanol y se agitó vigorosamente a TA durante 30 min (solución A). En segundo lugar, la (solución B) contiene 10 mL de etanol, 10 mL de solución de NH4OH (28% en peso) y 2 mL de HNO3. Luego, se añadió la solución A a la solución B con adición de agua y agitación vigorosa. El sol amarillo semitransparente obtenido se creó después de 2 h de agitación continua, luego se envejeció durante 6 h a temperatura ambiente en aire para formar un gel homogéneo, que se secó durante 36 h en un horno eléctrico a 80 °C. Finalmente, el gel seco se molió en polvo y se calcinó a 400 °C durante 4 ha en un horno al aire con una velocidad de calentamiento de 3 °C min-1 para producir un nanocompuesto NT.

Las nanopartículas de MoS2 (M) se sintetizaron mediante una reacción solvotérmica35. En este proceso, se disolvieron Na2MoO4 (3 mmol, 0,726 g) y etilenglicol (40 mL) en 50 mL de agua desionizada, luego se agregó tiourea (15 mmol, 1,1418 g). La solución mixta se sonicó durante 30 min a temperatura ambiente, se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón y se mantuvo a 180 °C durante 12 h. Después de enfriar a temperatura ambiente, los productos se separaron por centrifugación, se lavaron tres veces con etanol absoluto y agua desionizada y luego se secaron a 70 ℃ durante 12 h. Finalmente, se obtuvo el polvo negro.

Los nanocompuestos de TiO2/MoS2 (NTM) dopados con N se sintetizaron mediante un método de estado sólido. El compuesto N-TiO2/MoS2 se preparó usando diferentes proporciones de peso de NT:M (1:1, 1:2 y 1:3% en peso) se etiquetaron como NTM1, NTM2 y NTM3, luego se molieron juntos, se sonicaron usando un sonicador propo durante 15 min, y se lavó varias veces y luego se secó al aire.

La morfología de los materiales preparados se estudió mediante microscopio electrónico de transmisión (TEM) modelo JEM-2100, JEOL, Japón y microscopio electrónico de barrido (SEM) (JEOL). La fase de las muestras preparadas se examinó por difracción de rayos X (XRD) usando un difractómetro (Panalytical XPERT PRO MPD). Se utilizó radiación CuKα (λ = 1,5418 Å) a 40 kV y 40 mA. Los grupos funcionales se identificaron utilizando un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR) modelo Spectrum One (Perkin Elmer, EE. UU.) en el rango de número de onda de 400–4000 cm−1. La reflectancia óptica se registró utilizando un espectrómetro UV-Vis (Perkin Elmer Lambda 1050). Los espectros de fotoluminiscencia se registraron con un espectrofotómetro de fluorescencia Cary Eclipse.

La actividad de degradación fotocatalítica se investigó utilizando un fotorreactor con una lámpara halógena de 400 W como fuente de luz. La distancia entre la lámpara halógena y la solución colorante es de 10 cm. Luego, se agregaron 0,025 g de heterofotocatalizador a 50 mL de una solución de colorante MB de 50 ppm y para lograr el equilibrio de adsorción-desorción, la solución se agitó en la oscuridad durante 30 min. La reacción de fotodegradación se inició durante 150 min y se recogieron 5 mL de la suspensión en un período de 15 min. La suspensión obtenida se analizó mediante un espectrofotómetro UV-vis a una longitud de onda de absorción máxima de la solución MB a 664 nm.

La figura 1 ilustra las imágenes SEM de nanocompuestos puros de TiO2, NT y NTM2. La Figura 1a muestra la imagen SEM de TiO2 puro con partículas esféricas interconectadas y una estructura similar a una esponja. Además, la morfología de NT apareció como partículas esféricas y exhibió las estructuras porosas de la Fig. 1b. Aparentemente, la morfología de NTM2 se muestra en la Fig. 1c. MoS2 apareció a medida que la forma de las flores crece uniformemente en la superficie de las esferas de N-TiO2. Las imágenes TEM de los nanocompuestos puros de TiO2, NT y NTM2 muestran una forma esférica con diferentes tamaños de grano. La Figura 1d muestra la micrografía TEM del TiO2 que muestra que el tamaño nominal de las nanopartículas de TiO2 es de aproximadamente 9 nm y que las nanopartículas parecían ser relativamente homogéneas y uniformes a pesar de estar bastante agrupadas. Mientras que la forma del TiO2 dopado con nitrógeno es más angular y ligeramente más larga que la del TiO2 no dopado con un tamaño de grano de aproximadamente 10 nm que se muestra en la Fig. 1e. En el caso de NTM2, las escamas de MoS2 aparecen apiladas en su superficie con óxido de titanio en la Fig. 1f. Los patrones de difracción de electrones del área seleccionada (SAED) de T, NT y MTN2 respectivamente en la Fig. 1g-i muestran que representa la naturaleza policristalina de las muestras.

Imágenes SEM (a–c), imágenes TEM (d–f) del TiO2 puro, NT y NTM2 y sus patrones SAED (g–j) respectivamente.

Las estructuras cristalinas de TiO2, NT y NTM puros sintetizados se analizaron a través de patrones XRD como se muestra en la Fig. 2. La anatasa (A) y el rutilo (R) son las dos formas cristalinas principales de TiO2 comúnmente observadas que se ven típicamente36. El patrón XRD de TiO2 puro muestra los picos de difracción en 2Ѳ = 20,87°, 26,65°, 36,08°, 42,13°, 50,13° y 59,96° que pueden coincidir respectivamente con los planos de (101), (110), (004) , (111), (211) y (002), que concuerda bien con la fase anatasa (JCPDS 21-1272)37. El espectro XRD de NT mostró que el dopaje con nitrógeno restringió la conversión de anatasa en brookita. También se detectó un pico en el plano reticular (1 0 1) del cambio de anatasa TiO2 a ángulos más altos. Esto se atribuye a la tensión de compresión causada por la diferencia en las propiedades de enlace de N y O38. La difracción amplia se atribuye a la disminución en la reducción del tamaño de grano con la destrucción de la estructura cristalina39. Espectros XRD de los composites (NTM1, NTM2 y NTM3) con baja y alta dispersión de MoS2; por lo tanto, no se observan picos de difracción de MoS2 en los espectros de los compuestos NTM 38. Además, en comparación con los compuestos, el MoS2 desplaza los picos del plano reticular (1 0 1) de la anatasa TiO2 a ángulos más altos, y la intensidad del pico disminuye al aumentar la proporción de MoS2. Esto se debe a la gran ampliación del pico, el pico se volvió más débil y la afinidad por las estructuras amorfas aumentó mediante la adición de MoS2 40. Esto indica que MoS2 está presente en el compuesto de NTM (NTM1, NTM2 y NTM3).

Patrón XRD de nanocompuestos T, N, NTM1, NTM2 y NTM3.

La Figura 3 muestra los espectros FT-IR de todas las muestras investigadas, mostrando fuertes bandas de absorción en el rango de 400–700 cm−141. Esta banda se asigna a la vibración de estiramiento del enlace Ti-O-Ti. Esto está relacionado con la formación de TiO2 y el cambio observado en los espectros compuestos, lo que indica que el dopante se incorpora a la red de TiO2. El pico cercano a 1600 cm−1 se atribuye a los compuestos aromáticos.

Espectros FT-IR de nanocompuestos T, TN, M, NTM1, NTM2 y NTM3.

El enlace C-C y el pico alrededor de 3400 cm−1 corresponden a la vibración de estiramiento del enlace OH. También se observó otra banda de vibración que va de 1622 a 1796 cm−1 correspondiente al modo de flexión O–H. Esto puede atribuirse a la presencia de moléculas de H2O adsorbidas en TiO2 42. El espectro FT-IR de NT muestra varios picos de absorbancia en comparación con TiO2 43 puro. Para el espectro de MoS2, las bandas a 608 cm−1 y 1058 cm−1 representan los picos característicos de MoS2. Estos picos característicos de MoS2 se desplazan hacia el azul para los NC de NTM. Por lo tanto, los resultados de FT-IR indican la síntesis exitosa de TiO2, MoS2 y NTM NC 44.

Hay varios mecanismos que controlan la actividad fotocatalítica: generación de pares electrón/hueco, absorción de luz, transferencia de carga/portador y utilización de portador. La optimización de la actividad fotocatalítica depende de la eficiencia de los productos y de la transferencia de los pares e−/h+, que depende de la banda prohibida de energía (Eg) del fotocatalizador. El valor de la banda prohibida de energía (Eg) de las muestras se determinó utilizando las siguientes Ecs.45,46:

donde α es el coeficiente de absorción, \(v\) es la frecuencia de la luz y n es la constante de proporcionalidad. El valor n está determinado por la transición del semiconductor, es decir, la transición directa como en el nanocompuesto preparado (n = 1). Los espectros de reflexión difusa (DRS) de los naocompuestos T, NT, M y NTM se examinaron en el rango de 200 a 800 nm, como se muestra en la Fig. 4. El NP de TiO2 puro tiene un borde de banda de absorción más alto en alrededor de 422 nm en comparación con el NT que se muestra. relativamente pronunciado en el borde de la banda de absorción aproximadamente 391 nm. En presencia de MoS2, la brecha de banda de los nanocompuestos MTN1, MTN2 y MTN3 se desplazó hacia el borde de absorción de cambio azul alrededor de 365 nm en comparación con el TiO2 puro. La adición de MoS2 a la red cristalina de TiO2 aumentó significativamente la cantidad de luz visible que se absorbió como resultado del efecto del confinamiento cuántico en MoS2 con energía de banda prohibida pequeña (1,23 eV) que corresponde al borde de absorción de longitud de onda larga (λ = 1040nm)47. Como resultado, el borde de absorción de los materiales compuestos alcanzó una región visible. La Tabla 1 muestra los valores de las brechas de banda óptica de las muestras que se han estimado a partir de las gráficas de porcentaje de reflexión versus energía (hʋ), hay dos brechas de banda para todas las muestras. La brecha de banda (Eg) de los compuestos estaba entre 1,5 y 2 eV y se aproxima a 3,2 eV para la muestra T. Se demostró que la disminución de la energía de banda prohibida del compuesto mejora el proceso fotocatalítico al absorber más fotones y aumentar la fotosensibilidad del fotocatalizador preparado a la luz visible. La estabilidad entre los pares e−/h+ mejoró como resultado de la conjugación de dos bandas gap 2,40.

Espectros de reflectancia difusa UV-Vis de nanocompuestos T, NT, NTM1, NTM2 y NTM3; el recuadro muestra el T puro y el compuesto óptimo NTM2.

Los espectros de fotoluminiscencia (PL) a temperatura ambiente de todas las muestras preparadas se muestran en la Fig. 5. La intensidad de PL en los espectros de emisión de fluorescencia de un fotocatalizador semiconductor se puede utilizar para caracterizar la recombinación de electrones fotogenerados y huecos fotogenerados. Cuanto menor sea la intensidad de PL de los electrones fotogenerados, más eficaz será la separación de la cavitación fotogenerada. Los espectros PL de T y sus nanocompuestos, que se encontraron similares. El pico a ~ 390 nm es consistente con la emisión de anatasa TiO2, y picos alrededor de 406, 420, 445 y 480 nm para NT, NTM1, NTM2 y NTM3 respectivamente. Entre todos los catalizadores NTM, exhibieron la intensidad de PL más baja y un apagado de fluorescencia evidente, lo que indica que la recombinación de electrones fotogenerados (e-) y huecos (h+) se suprime de manera efectiva. Los resultados de PL indican que la capa bidimensional de MoS2 con estructura conjugada π es un aceptor de electrones eficaz, y la separación de los pares e-/h+ bajo la irradiación de luz visible se ve reforzada por la formación de interacciones fuertes entre NT y MoS2. ,49. Se redujo una fuerte extinción de la intensidad de PL en el nanocompuesto NTM2, lo que indica que se redujo la recombinación entre los fotoelectrones generados y los agujeros.

Espectros de fotoluminiscencia de nanocompuestos T, NT, NTM1, NTM2 y NTM3.

El rendimiento fotocatalítico determinado por la degradación de los tintes MB bajo luz visible inducida por TiO2 puro, NT y sus compuestos (MTN1, MTN2 y MTN3 NC) se muestra en la Fig. 6a. Se puede ver claramente que los materiales compuestos de NTM tienen una mayor degradación de la actividad fotocatalítica de MB que la del fotocatalizador de TiO2. La figura 6 mide la degradación a tiempos de irradiación de 0, 30, 60, 90, 120 y 150 min. Antes de la reacción fotocatalítica, la solución de MB del fotocatalizador se mantuvo durante 30 minutos en la oscuridad para alcanzar el equilibrio de adsorción/desorción. Esta ecuación da la eficiencia de la degradación de MB:

donde C0 es la concentración inicial y C es la concentración residual de MB después de la reacción. La eficiencia de NTM2 mostró la actividad de degradación fotocatalítica más alta para el colorante MB, con un valor del 99 %, en comparación con TiO2 puro (13 %), NTM1 (84,8 %) y NTM3 (80,8 %). La incorporación de MoS2 y N en la red de TiO2 en la cantidad adecuada condujo a una reducción de la energía de banda prohibida y suficientes propiedades de PL y, por lo tanto, el rendimiento fotocatalítico superior de la muestra NTM2 está directamente relacionado con ello. De acuerdo con el modelo de cinética L-H, se evaluó la cinética de degradación de MB por los nanocatalizadores preparados. La ecuación cinética de pseudo-primer orden se puede expresar como:

donde ka es la constante de velocidad (min−1), C0 es la concentración inicial (mg L−1) y C es la concentración de reacción de la solución de MB cuando el tiempo de irradiación es cero y t min. La figura 6b muestra la relación entre ln (C0/C) y el tiempo. Las constantes de velocidad (Ka) que se pueden obtener de la relación lineal entre ellas se mejoran en el orden mostrado en la Tabla 1: NTM2 > NTM3 > NTM1 > NT > T > MB. El fotocatalizador NTM2 tiene la mayor constante de velocidad (0,02178 min-1) en comparación con TiO2 (0,0009 min-1), lo que es consistente con los resultados de degradación fotocatalítica, lo que demuestra que el catalizador tiene buenas características y una buena actividad de degradación de MB bajo luz visible. Por lo tanto, los compuestos MTN preparados pueden actuar como fotocatalizadores efectivos para degradar compuestos orgánicos con buena estabilidad. Además, como se muestra en la Tabla 2, NTM2 tuvo la mayor actividad fotocatalítica bajo luz visible en comparación con los resultados de estudios previos.

( a ) Fotodegradación y ( b ) constantes de velocidad aparente insertadas y cinéticas para la fotodegradación de MB por nanocompuestos T, NT, NTM1, NTM2 y NTM3.

Los estudios de reutilización fueron examinados por FT-IR después de 150 min de fotocatálisis, como se muestra en la Fig. 7a, los picos corresponden perfectamente a los picos de FT-IR de la catálisis antes de la reacción de degradación fotocatalítica, no hubo cambios en la posición del pico. Estos resultados muestran por qué, después de muchas reutilizaciones consecutivas, el catalizador preparado puede mantener su eficiencia catalítica así como su estabilidad. La tasa de degradación del fotocatalizador NTM2 optimizado para MB se puede reciclar como se muestra en la Fig. 7b, y se encontró que su actividad de fotodegradación disminuyó ligeramente después de seis ciclos de uso, lo que indica su alta estabilidad. La propiedad de estabilidad de NTM2 se puede atribuir a la interacción entre NT y MoS2, que puede inmovilizar los sitios activos de las nanopartículas de NT en la fotocatálisis 48. Además de estudiar las funciones de los radicales libres, como se muestra en la Fig. 7c. Aplicamos agentes atrapantes de radicales libres: alcohol terc-butílico (TBA), p-benzoquinona (BQ) y ácido etilendiaminotetraacético disódico (Na2-EDTA) para eliminar los radicales hidroxilo, los radicales superóxido y los agujeros, respectivamente, presentes en Figura 7c. La eficiencia de eliminación de MB cambió dependiendo de los agentes de sacrificio, y la eficiencia de eliminación disminuyó al 45 % en presencia de TBA (5 mM) ya que los radicales hidroxilo jugaron un papel importante en la fotodegradación de MB.

(a) espectros FT-IR y; (b) reutilización de MTN2 después de la degradación fotocatalítica de MB; (c) la influencia de diferentes carroñeros en la eficiencia de fotodegradación de MB.

La Figura 8 ilustra el mecanismo de degradación basado en todos los resultados anteriores y la banda de energía de la estructura de las NTM hasta aquí. Cuando se acoplan N-TiO2 y MoS2, los fotones pueden absorberse en la superficie del fotocatalizador, lo que da como resultado la formación de pares de electrones/huecos. Los electrones de la Banda de conducción (CB) de N-TiO2 se moverán a la banda de MoS2, mientras que los huecos de la banda de valencia (VB) de N-TiO2 permanecerán allí. Este procedimiento reduce la posibilidad de recombinación electrón/hueco. Como resultado, en comparación con NT, el compuesto de NTM exhibió una actividad fotocatalítica mejorada. El OH− en la solución acuosa luego se absorbe a través del hueco en la banda de valencia para dar un OH altamente reactivo. Radical. Finalmente, estos radicales activos •O2, h+ y •OH interactúan con las moléculas MB adsorbidas en la superficie de las moléculas fotocatalizadoras de las NTM NC y se degradan a CO2 y H2O inocuos para el medio ambiente. la formación de una heteroestructura entre MoS2 y NT, que tiene un efecto sinérgico en el aumento de la adsorción de MB en el catalizador de superficie, mejorando la absorción de luz visible, mejorando la absorción de luz visible y el transporte y separación de carga eficientes. Por lo tanto, el mecanismo de los fotocatalizadores NTM después de irradiados bajo luz visible se resume mediante ecuaciones (Ecs. 4-10) y se ilustra en el gráfico esquemático de la Fig. 8 de la siguiente manera:

Diagrama esquemático del mecanismo para el fotocatalítico de MB por NTM NC bajo irradiación de luz visible.

En resumen, para una degradación más eficiente de MB de las aguas residuales, se utilizó un nanocompuesto de sulfuro de titania-molibdeno (NTM) dopado con nitrógeno para fotodegradar MB bajo irradiación de luz visible. La actividad fotocatalítica de NTM NC se investigó mediante la degradación del colorante azul de metileno bajo irradiación de luz visible. Se observa que el fotocatalizador NTM2 tiene una mayor absorción de luz visible y es siete veces mayor que la del TiO2 puro. La formación de heteroestructura entre MoS2 y NT, que posee los efectos sinérgicos de adsorción de MB mejorada en la superficie del catalizador, mejor absorción de luz visible, transporte y separación de carga eficientes, que es altamente responsable de la actividad de fotodegradación mejorada de MB en el catalizador de NTM bajo irradiación de luz visible . Los experimentos de reutilización muestran una estabilidad muy alta de las NTM. Por lo tanto, el catalizador preparado es un excelente candidato para la fotocatálisis eficiente de contaminantes tóxicos en solución acuosa.

Todos los datos subyacentes a los resultados están disponibles como parte del artículo y no se requiere una fecha de origen adicional.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en cooperación con The Egyptian Knowledge Bank (EKB). Esta investigación no recibió financiación externa.

Departamento de Análisis y Evaluación, Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo, Nasr City, 11727, El Cairo, Egipto

Heba M. El Sharkawy, Rania Elshypany y Hanaa Selim

Instituto Sanitario y Ambiental (SEI), Centro Nacional de Investigación de Vivienda y Construcción (HBRC), Giza, 1770, Egipto

Amira M. Shawky

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HM, AM, RE y HS escribieron el texto principal del manuscrito y elaboraron la metodología, todos los autores prepararon el análisis y los recursos formales y HS realizó la redacción, revisión y edición. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Hanaa Selim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

El Sharkawy, HM, Shawky, AM, Elshypany, R. et al. Degradación fotocatalítica eficiente de contaminantes orgánicos sobre nanopartículas de TiO2 modificadas con nitrógeno y MoS2 bajo irradiación de luz visible. Informe científico 13, 8845 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35265-7

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Recibido: 15 de marzo de 2023

Aceptado: 15 de mayo de 2023

Publicado: 31 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35265-7

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