Pembangunan nanorod zink oksida/grafin oksida terturun nanokomposit sebagai fotomangkin dalam peranti mikrofluidik

Abstract

Fotomangkin adalah bahan yang menyerap cahaya untuk untuk menjana pasangan elektron lohong dan menyediakan ion radikal untuk tindak balas redoks kimia. Mekanisme ini membolehkan pemecahan ikatan kimia organik yang mempunyai aplikasi potensinya dalam proses rawatan air. Logam oksida oksida logam dalam bentuk nanozarah adalah bahan fotomangkin biasa. Walau bagaimanapun, mereka menyerap cahaya yang terhad pada julat panjang gelombang yang rendah, mempunyai kadar rekombinasi yang tinggi dan fotomangkin mempunyai kebarangkalian terdegradasi yang tinggi selepas banyak kitaran. Oleh kerana panjang resapan yang secara langsung mempengaruhi had panjang pemindahan jisim semasa proses degradasi, reaktor konvensional adalah besar dalam saiz dan masa yang digunakan dalam julat jam. Oleh itu, kerja ini memfokuskan tentang pembangunan struktur nanorod fotomangkin statik yang dilaksanakan dalam reaktor mikrofluidik untuk pembersihan air yang cekap. Fotomangkin diperbuat daripada nanorod zink oksida yang disaluti dengan grafin oksida terturun (ZnO NRs/rGO). Objektif utama kajian ini adalah untuk meningkatkan aktiviti fotokatalitik fotomangkin dalam reaktor kimia berskala mikro untuk degradasi bahan cemar organik. Untuk mencapai objektif ini, dua peringkat utama telah terlibat termasuk (1) sintesis ZnO NRs/rGO menggunakan kaedah hidroterma dan kaedah salutan semburan, (2) fabrikasi dan integrasi peranti mikrofluidik berasaskan ZnO NRs/rGO. Beberapa parameter sintesis telah dikaji dan dioptimumkan menggunakan kaedah Taguchi untuk menentukan parameter optimum untuk pembangunan ZnO NRs. Mikroskopi elektron pengimbas pancaran medan (FESEM) dilengkapi dengan EDX, pemeriksaan pembelauan sinar-X (XRD), spektroskopi raman, spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), spektroskopi ultralembayung-sinar boleh nampak-sinar inframerah dekat (UV-VIS-NIR), dan spektroskopi fotoluminesen (PL) digunakan untuk menyiasat sifat struktur dan optik nanorod yang dihasilkan. Imej FESEM mendedahkan pertumbuhan menegak ZnO NRs serta lapisan rGO yang meliputi permukaan atas ZnO NRs. Purata saiz kristal nanorod ZnO kekal sama selepas salutan rGO. Analisis Raman spektrometer menunjukkan puncak gabungan rGO dan ZnO, justeru membuktikan salutan lapisan rGO yang berjaya. Selepas salutan rGO, pengurangan dalam sela jalur fotomangkin tersintesis telah dikesan oleh ukuran penyerapan PL dan UV-Vis. Analisis XPS mendedahkan komposisi kimia dan keadaan elektronik konstituen yang mengesahkan interaksi antara ZnO dan rGO. Ujian degradasi fotokatalitik awal pada pewarna Metilena Biru (MB) ditentukan menggunakan spektrometer UV-Vis. Di bawah pendedahan UV dengan masa rawatan selama 6 jam, ZnO NRs/rGO fotomangkin mencapai peratusan degradasi 97.86%, iaitu kira-kira 5% lebih tinggi daripada kecekapan degradasi yang dicapai menggunakan ZnO NRs tulen. Keputusan mengesahkan bahawa salutan rGO meningkatkan aktiviti fotokatalitik bahan hos, ZnO NRs. Seterusnya, fabrikasi reaktor mikrofluidik fotokatalitik telah berjaya menggunakan litografi lembut. Reka bentuk sistem mikrofluidik ini merangkumi saluran mikro bercabang-pokok, saluran masuk, saluran keluar, dan ruang mikroreaktor. Ujian akhir fotokatalitik ZnO NRs/rGO yang disepadukan dalam platform mikrofluidik memperoleh kecekapan degradasi sebanyak 23.12% dalam masa tinggal berkesan kurang daripada 3 s. Kesimpulannya, dengan melaksanakan ZnO NRs/rGO dalam platform mikrofluidik, fotodegradasi bahan cemar organik yang cekap dicapai yang memudahkan pasca pemulihan, kebolehgunaan semula, dan kebolehkitaran semula nano-fotomangkin.