Структурные различия и адсорбционное поведение наночастиц оксида цинка, легированных щелочными металлами

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 2292 (2022) Цитировать эту статью

1679 Доступов

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Нанотехнологии играют жизненно важную роль во всех научных областях, включая исследования окружающей среды, благодаря соотношению поверхности и объема по сравнению с объемными материалами. Недавние исследования доказывают их эффективность в качестве методов удаления и восстановления загрязняющих веществ. Наночастицы оксида цинка (ZnO) — многофункциональный материал с различными свойствами и их легированные аналоги — широко изучаются в различных областях науки. Однако его применение в очистке экологических отходов начинает привлекать внимание из-за его низкой стоимости и высокой производительности. Загрязнение тяжелыми металлами является одним из основных загрязнителей, влияющих на водные и наземные формы жизни. Загрязнение водных объектов также вызывало тревожную обеспокоенность в последние десятилетия. Большинство тяжелых металлов являются незаменимыми элементами в следовых количествах и повсеместно присутствуют в окружающей среде, вызывая токсичность для живых организмов, например никель. В нашей работе мы проанализировали перспективу селективного удаления ионов никеля наночастицами оксида цинка, легированными различными щелочными металлами (K+, Rb+ и Cs+), изготовленными различными методами обработки (первоначальными и термообработанными). Мы обнаружили морфологические вариации от цветочных до палочковидных из-за щелочных катионов примесей. Кроме того, кристаллическая структура и ее различные фракции представлены аморфным содержанием изготовленных образцов, увеличенным от 2 до 10 мас.% по отношению к атомному радиусу легирующей примеси в свежеприготовленных образцах и отсутствующим в термообработанных образцах. Мы сообщаем, как структура и состав образцов напрямую влияют на их адсорбционное поведение по отношению к ионам никеля в водных растворах, исходя из соотношения микро- и наноцинкита частиц ZnO.

Оксид цинка (ZnO) представляет собой оксид металла на основе полупроводников в мире материалов и нашел потенциальное применение в косметической, электронной, фармацевтической и резиновой промышленности1,2,3,4,5 благодаря своим уникальным свойствам. Многофункциональные характеристики ZnO можно улучшить с помощью нанотехнологий. Нанотехнологии помогают нам изменять свойства материалов, привнося новые структурные, электронные, химические или механические свойства. Модификация размера частиц до наноуровня, по крайней мере, в одном измерении менее 100 нм, помогает создавать новые материалы. По сравнению со своими объемными аналогами наноразмерные частицы имеют другое соотношение поверхности и объема, межфазные свойства и многое другое6. Наночастицы ZnO изучались на предмет их уникальных свойств и применений. Различные методы синтеза, такие как соосаждение, золь-гель, гидротермальное, сольвотермальное, механическое спекание, широко изучаются для улучшения производства и качества7. В наномасштабе ZnO встречается в разных измерениях: 1D (например, стержни, иглы, пружины), 2D (например, листы, пластины) и 3D-структурах (например, цветок, снежинки), что открывает путь к различным применениям в качестве новых материалов2.

С другой стороны, широко изучается легирование манипулятивного подхода с целью добавления примесей или новых характеристик путем включения различных элементов в матрицу исходного соединения. Аналогичным образом, наночастицы ZnO, легированные переходными металлами, привлекают внимание из-за их свойств и структурной целостности8,9,10,11. Легированные наноструктуры ZnO имеют жесткую морфологию, структура которых состоит из нескольких регулярных фаз с геометрически выровненными альтернативными металлами и атомами оксидов в ее осях12,13,14. Наночастицы оксида цинка как таковые и их легированные аналоги с различными легирующими элементами были изучены в фотокатализе, батареях, сенсорах, а также их магнитные и электрические свойства15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31,32. Новые исследования четвероногих ZnO также были многообещающими благодаря использованию всех преимуществ платформы33.

Загрязнение воды является одной из основных экологических проблем, которая может повлиять не только на водную жизнь, но и на наземную. Загрязнение тяжелыми металлами наряду с другими вредными химическими веществами представляет собой серьезную угрозу. Некоторые тяжелые металлы содержатся в массе, а также в следовых количествах в водоемах, загрязненных электростанциями, удобрениями, красильными предприятиями, аккумуляторными производствами и так далее. В настоящее время широко применяется использование нанотехнологий в процессах фильтрации. В процессах фильтрации использовались источники активированного угля, биологически модифицированные организмы и полимерные материалы. Использование полупроводниковых наночастиц в магнитных наноматериалах, легированных переходными элементами, оказалось более подходящим для удаления загрязняющих веществ34,35,36. Кроме того, идентификация тяжелых металлов в водных растворах может стать решением для более эффективного извлечения и переработки загрязняющих веществ37,38,39,40,41. Использование наночастиц оксида цинка, легированных различными элементами, стало также применяться в области очистки сточных вод41. Среди различных загрязнителей никель (Ni) является важным микроэлементом для форм жизни и наиболее часто встречающимся элементом является одним из основных загрязнителей в водоемах. Загрязнение никелем обычно отмечается в безопасных пределах в большинстве водоемов, однако небольшое увеличение и их токсичность могут в большей степени влиять на различные формы жизни42. Кроме того, с точки зрения исследований окружающей среды и загрязнения, легированные наночастицы ZnO проявляют уникальные свойства, обеспечивая адсорбцию тяжелых металлов. Сообщалось о преимуществе легирования процесса адсорбции одних элементов по сравнению с другими43,44,45,46,47.