• صفحه اصلی
  • تبدیل نوری آلاینده زیست محیطی هیدروژن سولفید و تولید سوخت هیدروژن با استفاده از کاتالیزگر نانوکامپوزیتی مغناطیسی پایه کربن

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : بازدید : 7028 صفحه: -

نوع مقاله: پژوهشی

تبدیل نوری آلاینده زیست محیطی هیدروژن سولفید و تولید سوخت هیدروژن با استفاده از کاتالیزگر نانوکامپوزیتی مغناطیسی پایه کربن

محورهای موضوعی : مهندسی شیمی (آلودگیهای محیط زیست)

مجید غنیمتی 1 , محسن لشگری 2 , مهچهره ثابتی 3

1 - دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان
2 - دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان
3 - دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان

تاریخ پذیرش : 1401/10/24 تاریخ انتشار : 1401/11/15

کلید واژه:

چکیده مقاله :

هیدروژن سولفید یک آلاینده خطرناک زیست محیطی، خورنده و اشتعال پذیر است که در صنایع نفت و گاز ترش در مقیاس وسیع تولید می شود. یکی از استراتژی های پایدار برای حذف این آلاینده زیست محیطی و تبدیل آن به سوخت پاک هیدروژن، استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی (فوتون) و سنتز نانوانرژی مواد نیم رسانا است. برای این منظور در پروژه حاضر ترکیب نانوساختار نیم رسانای مغناطیسی MgFe2O4 سنتز شد و برای تولید هیدروژن از طریق شکافت فوتوکاتالیستی محلول قلیایی H2S مورد استفاده قرار گرفت. شواهد تجربی نشان داد ترکیب سنتزی از توانایی لازم برای احیای پروتون و تولید هیدروژن برخوردار است. همچنین با سنتز ترکیب نانوکامپوزیتی مغناطیسی CNT/MgFe2O4 اثر تقویتی نانولوله کربنی بر فعالیت فوتوکاتالیست مذکور مطالعه شد. بررسی ها نشان داد حضور نانولوله کربنی از طریق افزایش مساحت سطح فوتوکاتالیست، کاهش فرایند بازترکیب الکترون-حفره و افزایش جذب فوتون، تولید هیدروژن را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد. سرعت آزادسازی هیدروژن 1284 میکرو مول بر ساعت به ازای 2/0 گرم فوتوکاتالیست بدست آمد که بیانگر آن است ماده ی نانوکامپوزیتی سنتز شده از توانایی بالایی برای حذف آلاینده و تولید سوخت هیدروژن برخوردار است.

چکیده انگلیسی:

Hydrogen sulfide is a dangerous, corrosive and flammable environmental pollutant that is generated at large scale in sour oil and gas industries. One of the sustainable strategies to remove this environmental pollutant and convert it into hydrogen clean fuel is the use of a renewable energy source (photon) and synthesis of semiconducting nanoenergy materials. To this end, in the present project, a nanostructured magnetic semiconducting MgFe2O4 compound was synthesized and applied for the production of hydrogen fuel through photocatalytic splitting of an alkaline H2S solution. The empirical evidence revealed that the synthesized material has an appropriate potency to reduce proton and produce hydrogen. Furthermore, by the synthesis of CNT/MgFe2O4 magnetic nanocomposite, the boosting effect of carbon nanotube (CNT) on the activity of the aforementioned photocatalyst was examined. A significant promotion in hydrogen production was observed in the presence of CNT and justified in terms of increasing the photocatalyst surface area, retarding the electron-hole recombination process and enhancing the photon absorption. The rate of hydrogen evolution was 1284 µmole/h per 0.2 g photocatalyst, indicating that the synthesized nanocomposite material has a high ability to remove the pollutant and produce hydrogen fuel.

منابع و مأخذ:
متن کامل:


پژوهش و فناوری محیط زیست، 1401 7(12)، 47-59

H:\لوگوی بدون پس زمینه\200px-ACECR_logo.png 

پژوهشکده محیط زیست

 پژوهش و فناوری محیط زیست

وبگاه نشریه: www.journal.eri.acecr.ir    

شاپا الکترونیکی: 2676-3060

 

(http://journal.eri.acecr.ir/)

 

 

 


تبدیل نوری آلاینده محیط­زیستی هیدروژن سولفید و تولید سوخت هیدروژن با استفاده از کاتالیزگر نانوکامپوزیتی مغناطیسی پایه کربن

 

 

مجید غنیمتی1*، محسن لشگری1، مهچهره ثابتی1                  

*،    

 

 

سید عطااله حسینی11، خلیل محمدی­فیروز2

 

1-       دانشکده شیمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، زنجان

چکیده

اطلاعات مقاله

هیدروژن سولفید یک آلاینده خطرناک محیط­زیستی، خورنده و اشتعال­پذیر است که در صنایع نفت و گاز ترش در مقیاس وسیع تولید می­شود. یکی از استراتژی­های پایدار برای حذف این آلاینده محیط­زیستی و تبدیل آن به سوخت پاک هیدروژن، استفاده از منابع تجدید­پذیر انرژی (فوتون) و سنتز نانوانرژی ­مواد نیم­رسانا است. برای این منظور در پروژه حاضر ترکیب نانوساختار نیم­رسانای مغناطیسی MgFe2O4 سنتز شد و برای تولید هیدروژن از طریق شکافت فوتوکاتالیستی محلول قلیایی H2S مورد استفاده قرار گرفت. شواهد تجربی نشان داد ترکیب سنتزی از توانایی لازم برای احیای پروتون و تولید هیدروژن برخوردار است. همچنین، با سنتز ترکیب نانوکامپوزیتی مغناطیسی CNT/MgFe2O4 اثر تقویتی نانولوله کربنی بر فعالیت فوتوکاتالیست مذکور مطالعه شد. بررسی­ها نشان داد حضور نانولوله کربنی از طریق افزایش مساحت سطح فوتوکاتالیست، کاهش فرایند بازترکیب الکترون-حفره و افزایش جذب فوتون، تولید هیدروژن را به مقدار قابل توجهی افزایش می­دهد. سرعت آزادسازی هیدروژن 1284 میکرومول بر ساعت به ازای 2/0 گرم فوتوکاتالیست بدست آمد که بیانگر آن است ماده­ی نانوکامپوزیتی سنتز شده از توانایی بالایی برای حذف آلاینده و تولید سوخت هیدروژن برخوردار است.

 

نوع مقاله:

پژوهشی

تاریخ دریافت:

 15/04/1401

تاریخ پذیرش:

 24/10/1401

دسترسی آنلاین: 15/11/1401

 

كليد واژه‌ها:

 فوتوتخریب/تبدیل H2S، تولید هیدروژن،

 انرژی­مواد،

 نانوکامپوزیت مغناطیسی،

 ماده خطرناک،

 تبدیل آلاینده به سوخت،

کاتالیزگر نیم­رسانا

 

 

 

        

 

 

[1] *پست الکترونیکی نویسنده مسئول: m.ghanimaty@iasbs.ac.ir

 

Journal of Environmental Research and Technology, 7(12)2022. 47-59

 

 

H:\لوگوی بدون پس زمینه\200px-ACECR_logo.png 

 Environmental Research institute

Online ISSN: 3060-2676

 

 

journal homepage: www.journal.eri.acecr.ir

 Journal of Environmental Research and Technology

 

 


Photo-transformation of hydrogen sulfide environmental pollutant to hydrogen fuel using a carbon-based magnetic nanocomposite catalyst

Majid Ghanimati11*, Mohsen Lashgari1, Mahchehre Sabeti1

 

1-  Department of Chemistry, Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS), Zanjan, Iran

 

Article Info

Abstract

Article type:

Research Article

 

Article history:

Received: 06/07/2022

Accepted: 14/01/2023

Available online:

04/02/2023

 

Keywords:

H2S photo-degradation/transformation, Hydrogen production, Energy of material, Magnetic nanocomposite, Hazardous material, Pollutant-to-fuel conversion, Semiconducting catalyst

Hydrogen sulfide is a dangerous, corrosive and flammable environmental pollutant that is generated at large scale in sour oil and gas industries. One of the sustainable strategies to remove this environmental pollutant and convert it into hydrogen clean fuel is the use of a renewable energy source (photon) and synthesis of semiconducting nano energy materials. For this purpose, in the present project, MgFe2O4 a nanostructured magnetic semiconducting compound was synthesized and applied for the production of hydrogen fuel through photocatalytic splitting of an alkaline H2S solution. The empirical evidence revealed that the synthesized material has an appropriate potency to reduce proton and produce hydrogen. Furthermore, by the synthesis of CNT/MgFe2O4 magnetic nanocomposite, the boosting effect of carbon nanotube (CNT) on the activity of the aforementioned photocatalyst was studied. A significant promotion in hydrogen production was observed in the presence of CNT and justified in terms of increasing the photocatalyst surface area, retarding the electron-hole recombination process and enhancing the photon absorption. The rate of hydrogen evolution was 1284 µmole/h per 0.2 g photocatalyst, that indicating the synthesized nanocomposite material has a high ability to remove the pollutant and produce hydrogen fuel.

 

 

[1] * Corresponding author E-mail address: m.ghanimaty@iasbs.ac.ir

مقدمه

هیدروژن سولفید یک آلاینده فوق­العاده سمی و خطرناک برای موجودات زنده و خورنده برای سازه­های فلزی است که در مقیاس وسیع بطور صنعتی و طبیعی تولید می­شود (جنگام1 و همکاران، 2021؛ شیی2 و همکاران، 2019). یکی از مهم­ترین و بزرگ­ترین منابع مولد این گاز خورنده و خطرناک صنایع نفت و گاز ترش است (لشگری و غنیمتی3، 2018). با توجه به افزایش تقاضا برای انرژی و سوخت و در نتیجه سرعت گرفتن استخراج و کاهش ذخایر نفت و گاز شیرین، موضوع تولید H2S به­عنوان محصول فرعی در این صنایع به­طور جدی مطرح شده است (صلاح و آیش4، 2021؛ رجا و پریثی5، 2020، لشگری و غنیمتی، 2019). استفاده بهینه از این گاز سمی و مخرب نه تنها از نقطه­نظر محیط زیستی بلکه از دیدگاه صنعتی و اقتصادی نیز حائز اهمیت است. یکی از روش­های ارزان و کارآمد برای حفظ محیط زیست و تخریب این آلاینده­ی خطرناک استفاده از نور خورشید و ترکیبات فوتوکاتالیستی نیم­رسانا است (لشگری و غنیمتی، 2019ب). برای طراحی و سنتز یک فوتوکاتالیست مناسب و موثر توجه به استفاده از مواد ارزان، فراوان و دوستدار محیط زیست، دارای برهم­کنش خوب با واکنشگر، مساحت سطح بالا، جذب قوی فوتون (در بخش وسیع از طیف نور مرئی-فرابنفش)، بازترکیب پایین، سطوح انرژی مناسب (برای انجام فرایندهای فوتوردکس) و پایداری در محیط واکنش ضروری است (ویکرانت6 و همکاران، 2019؛ خان7 و همکاران، 2021؛ یی8 و همکاران، 2018؛ لشگری و غنیمتی، 2020). توجه به موارد مذکور می­تواند به تولید و سنتز مواد فوتوکاتالیستی کارآمد و در عین حال مقرون به صرفه و قابل استفاده در مقیاس وسیع منجر شود. علاوه بر موارد فوق جمع­آوری آسان ذرات فوتوکاتالیست و جداسازی آن­ها از محیط واکنش یکی از دغدغه­ها موجود در کارهای عملی است که سنتز ترکیبات مغناطیسی نیم­رسانا می­تواند راه­حل مناسب برای رفع مشکل و جمع­آوری آسان ترکیبات مذکور با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی (آهنربا) باشد (کمالی9 و همکاران، 2021؛ وانگ10 و همکاران، 2018).

در میان فوتوکاتالیست­های مختلف، اکسیدهای نانوساختار فلزات واسطه به دلیل داشتن مزایایی هم­چون پایداری بالا در محیط واکنش و دارا بودن خواص کاتالیزوری، مغناطیسی و الکترونیکی منحصر بفرد، بشدت مورد توجه بوده است (ابیل11 و همکاران، 2020). خانواده اسپنیل فریت­ها (MFe2O4; M: Mg, Zn, Cu, …) از پرکاربردترین و مطرح­ترین اکسیدهای فلزی بوده که بطور گسترده برای واکنش فوتوشکافت آب و حذف آلاینده­ها مورد استفاده قرار گرفته­اند (جیا12 و همکاران، 2019). در بین ترکیبات مذکور، نیم­رسانای مغناطیسی نوع n منیزیم فریت (MgFe2O4) با داشتن مزایایی همچون شکاف نواری باریک (1/2-9/1 الکترون ولت)، قیمت پایین، غیرسمی بودن، پایداری نوری خوب، فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، موقعیت مناسب نوار هدایت و ظرفیت و دارا بودن جایگاه­های کاتالیستی فراوان بیشتر مورد توجه بوده و از آن در واکنش­های حذف الاینده و شکافت آب استفاده شده است. هم­چنین MgFe2O4 بطور گسترده به عنوان کاتالیست صنعتی و جاذب آلاینده­های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است (آین13 و همکاران، 2016؛ بوز14 و همکاران، 2021؛ ساهو15 و همکاران، 2018؛ سرایپریا16 و همکاران، 2019؛ وایش17 و همکاران، 2021). علاوه بر آن عناصر سازنده این ترکیب دارای برهم­کنش خوب با هیدروژن سولفید هستند (رودریگز18 و همکاران، 2000؛ یاماموتو19 و همکاران، 2015). با این حال، فعالیت فوتوکاتالیستی و بازده این ترکیب به­دلیل بازترکیب الکترون-حفره­های فوتوتولید شده پایین است (فن20 و همکاران، 2016). یکی از مناسب­ترین راهکارها به­منظور بهبود جدایش الکترون/حفره (کاهش بازترکیب) و در نتیجه افزایش راندمان فوتوکاتالیست، ساخت ترکیبات نانوکامپوزیتی از فوتوکاتالیست مربوطه است (جیا و همکاران، 2015؛ لشگری و غنیمتی، 2019). در این راستا و باهدف بهره­مندی از مزایای نانولوله کربنی هم­چون افزایش مساحت سطح فوتوکاتالیست، جذب واکنشگرها، افزایش جذب فوتون، تسهیل فرایند انتقال الکترون/جدایش بهتر الکترون-حفره از این ترکیب برای بهبود خاصیت فوتوکاتالیستی و ساخت کامپوزیت استفاده شد (ژو21 و همکاران، 2017؛ لشگری و همکاران، 2017) و ترکیب نانوکامپوزیتی مغناطیسیCNT/MgFe2O4  به روش ساده هیدروترمال سنتز شد و در فرایند فوتوشکافت محلول قلیایی H2S و تولید هیدروژن با بازده بالا مورد استفاده قرار گرفت.

مواد و روش­ها

سنتز فوتوکاتالیست

برای سنتز ترکیبات MgFe2O4 و CNT/MgFe2O4 از روش هیدروترمال استفاده شد (یان22 و همکاران، 2015؛ قنبری و صلواتی23، 2015؛ ایلهان24 و همکاران، چترجی25 و همکاران، 2020). بدین منظور، برای سنتز ترکیب MgFe2O4 ابتدا 50 میلی لیتر محلول حاوی 5 میلی­مول منیزیم نیترات ( ساخت شرکت فلوکا با درجه خلوص %98) و 10 میلی­مول آهن نیترات ( ساخت شرکت مرک با درجه خلوص %98) تهیه شد سپس همراه با هم­زدن قطره قطره محلول سدیم هیدروکسید 1 مولار تا رسیدن به 11= pHبه آن اضافه شد. در ادامه، مخلوط بدست آمده به اتوکلاو منتقل شده و در دمای 180 درجه­ی سلسیوس به مدت 8 ساعت گرما داده شد. در پایان رسوب بدست آمده پس از چند بار شستشو با آب مقطر در دمای 80 درجه­ی سلسیوس به­مدت 8 ساعت خشک شد. برای ساخت ترکیب نانوکامپوزیتی حاوی نانولوله کربنی، فرایند سنتز در حضور مقدار مناسب (3 درصد وزنی) نانولوله کربنی انجام شد (لشگری و سودی26، 2020؛ لشگری و زینل­خانی27، 2018). برای این منظور 50 میلی لیتر محلول آبی حاوی نانولوله کربنی (MWCNT با ابعاد قطر داخلی 5 تا 10 نانومتر و قطر خارجی 10 تا 20 نانومتر؛ محصول شرکت نوترینو) پیش آماده سازی شد (لشگری و سودی، 2020) و به مخلوط بدست آمده، 5 میلی­مول منیزیم نیترات و 10 میلی­مول آهن نیترات افزوده و مراحل بیان شده برای سنتز ترکیب منیزیم فریت دنبال شد.

 

روش­های خصیصه­یابی فوتوکاتالیست

ساختار بلورشناسي نیم­رساناهای سنتز شده با استفاده از فن­آوري پراش پرتو ايکس توسط دستگاه فيليپس با پرتو  Cukα (طول موج 5/1 انگستروم) تعيين شد. برای مطالعه خواص مغناطیسی فوتوکاتالیست­های سنتزی از دستگاه مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (VSM) مدل Magnetic Daneshpajoh Kavir Kashan® استفاده شد. طيف فرابنفش- مرئي بازتاب نفوذي فوتوکاتاليست­ها با استفاده از دستگاه طيف­سنج Varian Cary5e ثبت شد. منحني­هاي جذب و واجذب نيتروژن و آزمايشات تخلخل­سنجي در دماي 77 درجه کلوين توسط دستگاه (BELSORB max-BEL) انجام شد. میزان نشر (بازترکیب) نیم­رساناها با استفاده از دستگاه طیف­سنج فلوئورسانسCary Eclipse  (طول موج تحریک 350 نانومتر) مورد مطالعه قرار گرفت. همچنين، مورفولوژي و ساختار ميکروسکوپي فوتوکاتاليست‌هاي سنتز شده با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي ميدان گسيل (دستگاه Mira3-XMU) بررسي شد.

فوتوشکافت هیدروژن سولفید و آزادسازی هیدروژن

واکنش فوتوشکافت درون سل دو جداره دست ساز (حجم 50 میلی­لیتر) تحت تابش لامپ زنون با شدت 100 میلی وات بر سانتی­متر مربع انجام شد. برای تهیه محلول واکنش (محلول قلیایی حاوی H2S)، به 50 میلی لیتر محلول نیم مولار NaOH گاز H2S (با رعایت نکات ایمنی کار با گازهای خطرناک) دمیده شد تا محلول از هیدروژن سولفید اشباع شود. از آنجائی­که بیشترین میزان آزادسازی هیدروژن طبق گزارشات قبلی در pH ای که میزان بی سولفید آن زیاد است (11=pH) رخ می­دهد لذا pH محلول در 11 تنظیم شد. میزان هیدروژن آزاد شده به روش حجم­سنجی اندازه­گیری شد (لشگری و غنیمتی، 2018). 

بحث و نتیجه­گیری

خصیصه­یابی فوتوکاتالیست

     الگوي پراش پرتو ايکس نانولوله کربنی، منیزیم فریت (MgFe2O4) و ترکیب نانوکامپوزیتی سنتز شده از آن­ها در شکل 1 آورده شده است. پیک­های مشاهده شده برای MgFe2O4 با رفرنس JCPDS No. 01-073-1960 و پیک­های گزارش شده در مقالات مطابقت داشته که نشان­دهنده­ی ساختار اسپینل28 برای این ترکیب است (یوان29 و همکاران، 2015؛ شبروی30 و همکاران، 2016). در الگوی پراش پرتو ایکس ترکیب نانوکامپوزیتی حاوی CNT علاوه بر پیک­های مربوط به ترکیب MgFe2O4 پیک­های مربوط به نانو لوله کربنی (CNT) نیز مشاهده می­شود که این امر گواهی بر سنتز ترکیب CNT/MgFe2O4 است. با استفاده از پهنای پیک در نصف شدت بیشینه و فرمول دبای شرر اندازه ذرات 16 نانومتر بصورت تخمینی بدست آمد (لشگری و غنیمتی، 2015).

 img0

شکل 1: الگوی پراش اشعه ایکس فوتوکاتالیست­های سنتزی.

حضور اجزای فوتوکاتالیستی و عناصر سازنده آن­ها همچنین توسط آنالیز طیف سنجی اشعه ایکس بر اساس تفکیک انرژی31 (EDS) (جدول 1 و شکل 2) مورد تایید قرار گرفت.

img0 

شکل 2: نمودار طیف سنجی اشعه ایکس بر اساس تفکیک انرژی (EDS) فوتوکاتالیست مورد استفاده در این کار.

جدول 1: نتایج آنالیز EDS نیم­رساناهای سنتز شده  بر حسب درصد وزنی (Wt.%).

نیم­رسانا

Mg

Fe

C

O

MgFe2O4

02/12

16/50

-

82/37

CNT/MgFe2O4

17/11

88/47

94/2

01/38

 

تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي میدان گسیل32 (FESEM) فوتوکاتاليست مغناطیسی MgFe2O4 و ترکیب نانوکامپوزیتی CNT/MgFe2O4 سنتز شده از آن در شکل 3 آورده شده است. همان­طور که در این شکل مشاهده می­شود ترکیب منیزیم فریت سنتزی (شکل 3 الف) متشکل از یکسری نانو ذرات یکنواخت بوده که این مورفولوژی با ساختارهای گزارش شده برای این ترکیب مطابقت داشته که این موضوع نیز به نحوی بیان کننده سنتز این فوتوکاتالیست است (یوان و همکاران، 2015). اثر اضافه شدن نانولوله کربنی و تشکیل نانوکامپوزیت CNT/MgFe2O4 در شکل 3 (ب) مشاهده می­شود. حضور نانولوله­های کربنی در این کامپوزیت به خوبی مشهود بوده و این شکل نشان می­دهد ترکیب نانوکامپوزیتی ساخته شده، مجموعه­ای متشکل از نانوذرات و نانو­لوله­ها است.

img0 

شکل 3: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی میدان گسیل (FESEM) نمونه­های سنتزی (الف) منیزیم فریت و (ب) ترکیب نانوکامپوزیتی.

نتایج آزمايشات جذب/واجذب N2  (آناليز BET) نشان داد (جدول 2) ترکیبات سنتز شده از نوع مزوحفره (قطر حفره­ها بین 2 تا 50 نانومتر) بوده (لشگری و غنیمتی، 2015) و با افزودن نانولوله کربنی به منیزیم فریت و ساخت ترکیب نانوکامپوزیتی مساحت سطح فوتوکاتالیست به مقدار قابل توجهی افزایش می­یابد که این امر می­تواند به افزایش عملکرد فوتوکاتالیستی آن منجر شود.

جدول 2: نتایج حاصل از آنالیز BET برای ترکیبات سنتز شده.

فوتوکاتالیست

مساحت سطح ()

قطر متوسط حفره­ها

(nm)

MgFe2O4

80/16

75/17

CNT/MgFe2O4

04/44

39/10

حلقه­های پسماند مغناطیسی (Magnetic hysteresis loops) ترکیبات سنتز شده در شکل 4 نمایش داده شده است براساس نتایج بدست آمده از این آنالیز فوتوکاتالیست­های سنتزی دارای خاصیت مغناطیسی بوده و این ترکیبات فرومغناطیس نرم با مغناطیس اشباع شدگی به ترتیب 95/21 و 85/0 واحد الکترومغناطیس بر گرم (emug-1)  برای MgFe2O4 و CNT/MgFe2O4 هستند. مغناطیس اشباع­شدگی مشاهده شده برای ترکیب منیزیم فریت با مقدار گزارش شده در متون مطابقت دارد (وانگ و همکاران، 2016؛ سپهوند33، 2011).

img0img0 

شکل 4: حلقه پسماند مغناطیسی نمونه­های سنتزی (الف) MgFe2O4 و (ب) CNT/MgFe2O4

یک فوتوکاتالیست مطلوب علاوه بر داشتن مساحت سطح بالا باید بتواند فوتون را نیز به خوبی جذب کند. توانایی جذب فوتون توسط فوتوکاتاليست­هاي سنتز شده در کار حاضر در شکل 5 الف آورده شده است. همان­طور که در این شکل مشاهده می­شود ترکیب MgFe2O4 دارای جذب خوب در ناحیه فرابنفش و مرئی بوده و با افزودن نانولوله کربنی شدت جذب افزایش یافته و جابجایی به سمت طول موج­های بلندتر (انرژی­های کمتر) اتفاق می­افتد. با استفاده از داده­های جذب به روش کوبلکا-مانک (لشگری و غنیمتی، 2015) شکاف نواری 9/1 و 54/1 الکترون ولت به ترتیب برای نیم­رساناهای MgFe2O4 (شکل 5 ب) و CNT/MgFe2O4 (شکل 5 ج) بدست آمد.

img0 

img0img0 

شکل 5: طیف فرابنفش-مرئی نمونه­های سنتز شده (الف) و منحنی­های کوبلکا مونک حاصل از آن (ب و ج)

در کنار جذب خوب فوتون در بخش وسیعی از طیف نور فرودی، یک فوتوکاتالیست خوب باید از باز ترکیب پایینی برخوردار باشد که این موضوع را می­توان از طریق مطالعات نشر فوتولومینسانس (شکل 6) مورد بررسی قرار داد (لشگری و غنیمتی، 2019). همان­طور که در این شکل مشاهده می­شود ترکیب MgFe2O4 میزان نشر فوتولومینسانس بالایی را داشته و پیک­های نشر مشاهده شده در حوالی 447، 450، 460، 486، 500 و 539 نانومتر بعنوان پیک­های نشر شناخته شده برای این ترکیب گزارش شده است (ابیل و همکاران، 2020؛ کائور34 و همکاران، 2018؛ شتی35 و همکاران، 2017؛ وایش و همکاران، 2019). با افزودن نانو لوله کربنی و ساخت ترکیب نانوکامپوزیتی فرایند جدایش بار بهبود یافته و میزان نشر به مقدار قابل توجهی کاهش می­یابد. که این امر می­تواند باعث افزایش بازده فوتوکاتالیستی شود. بهبود فرایند جدایش بار با اضافه شدن نانولوله کربنی به ترکیب کامپوزیتی را می­توان به تسهیل انتقال الکترون/حفره توسط این هادی الکترونی مربوط دانست (لشگری و همکاران، 2017). 

img0 

شکل 6: طیف فوتولومینسانس فوتوکاتالیست­های مغناطیسی سنتز شده در کار حاضر

عملکرد فوتوکاتالیست در فوتوتبدیل هیدروژن سولفید و تولید هیدروژن

در ارتباط با مکانیسم تولید فوتوکاتالیستی هیدروژن از H2S بطور خلاصه می­توان گفت حین فرایند فوتوتخریب محلول حاوی هیدروژن سولفید، با تشکیل زوج الکترون-حفره در اثر تابش فوتون به فوتوکاتالیست، فرایند اکسایش بی­سولفید (HS-) و کاهش پروتون بر روی سطح فوتوکاتالیست رخ داده که در اثر آن گاز هیدروژن و آنیون دی­سولفید تشکیل می­شود؛ این موضوع بصورت شماتیک در شکل 7 نمایش داده شده و واکنش­های اکسایش و کاهش مربوطه براساس روابط 1 تا 4 بیان می­شود (لشگری و غنیمتی، 2018).

img0 

شکل 7: نمایش شماتیک مکانیسم تولید فوتوکاتالیستی هیدروژن از H2S با استفاده از فوتوکاتالیست نانوکامپوزیتی سنتز شده در کار حاضر

همانطور که بیان شد الکترون­های فوتوتولید شده می­توانند با انتقال به پروتون­های متصل شده به سولفید، موجود در سطح فوتوکاتالیست H اتمی و آنیون سولفید را تولید کنند (رابطه 1).

نتیجه ترکیب (متصل شدن) این H­های اتمی تولید شده آزاد شدن گاز هیدروژن است (رابطه 2).

 

(1)

 

در کنار مصرف الکترون­های فوتوتولید شده و تولید گاز هیدروژن (روابط 1 و 2) حفره­ها نیز باید در واکنش اکسایشی مصرف شوند. در سامانه حاضر هر دو آنیون سولفید و بی­سولفید می­توانند به­عنوان جمع­کننده­ی حفره36 عمل کرده و آنیون دی­سولفید را تولید نمایند (روابط 3 و 4).

(2)

 

 

میزان هیدروژن آزاد شده از واکنش فوتوشکافت محیط حاوی H2S با استفاده از فوتوکاتالیست­های سنتزی در شکل 8 آورده شده است. همان­طور که این شکل نشان می­دهد ترکیب منیزیم فریت سنتز شده توانایی فوتوشکافت محیط حاوی هیدروژن سولفید را دارا بوده و این ترکیب دارای سرعت هیدروژن آزاد شده 781 میکرو مول بر ساعت به ازای 2/0 گرم فوتوکاتالیست است. همچنین، بررسی شکل 8 نشان می­دهد اضافه شدن نانولوله کربنی به ترکیب MgFe2O4 نه تنها سطح فوتوکاتالیست کامپوزیتی را افزایش می­دهد بلکه میزان جذب فوتون در ناحیه مرئی را تقویت کرده و با کاهش فرایند بازترکیب می­تواند تولید هیدروژن را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. سرعت آزادسازی هیدروژن با استفاده از فوتوکاتالیست حاوی نانولوله کربنی 1284 میکرو مول بر ساعت به ازای 2/0 گرم بدست آمد. از مزایای این ترکیب نیم­رسانای نانوکامپوزیتی سنتز شده در مقایسه با ترکیبات فوتوکاتالیستی مشابه گزارش شده (برای تولید هیدروژن) می­توان به میزان تولید هیدروژن بالاتر، غیر سمی بودن، روش سنتز آسان، قیمت پایین، عدم نیاز به استفاده از کمک کاتالیزورها و جمع­آوری آسان نیم­رسانا با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی پس از انجام واکنش اشاره کرد (لی37 و همکاران، 2019؛ لیو38 و همکاران، 2021؛ فودور39 و همکاران، 2019؛ ناگاکاوا40 و همکاران، 2018؛ یوان و همکاران، 2018).

img0 

شکل 8: میزان آزادسازی هیدروژن از طریق فوتوشکافت محلول قلیایی اشباع از هیدروژن­سولفید در حضور فوتوکاتالیست­های سنتز شده تحت تابش نور زنون با شدت 100 میلی­وات بر سانتیمتر مربع (حجم گاز آزاد شده هر ده دقیقه ثبت و pH محلول واکنش در 11 تنظیم شد).

نتیجه­گیری

در کار حاضر با استفاده از مواد ارزان و دوستدار محیط زیست ترکیب فوتوکاتالیستی نانوساختار مغناطیسی MgFe2O4 به روش هیدروترمال سنتز شد و برای فرایند فوتوتخریب H2S و تولید هیدروژن مورد استفاده قرار گرفت. بررسی­های XRD (دبای شرر) و آنالیزهای BET و SEM نشان داد ترکیب سنتز شده متشکل از نانوذرات با توزیع یکنواخت و ابعاد متوسط 16 نانومتر بوده و دارای ساختار مزومتخلخل با مساحت سطح 8/16 متر مربع بر گرم بوده و فوتوکاتالیست مورد استفاده از توانایی لازم برای کاهش پروتون و اکسایش هیدروژن بی­سولفید برخوردار است. افزودن CNT به ترکیب منیزیم فریت و سنتز ترکیب نانوکامپوزیتی CNT/MgFe2O4 با افزایش مساحت سطح و توانایی جذب فوتون، و کاهش بازترکیب همراه بوده و به میزان قابل توجهی توانایی فوتوکاتالیست برای تولید فوتوکاتالیتیکی هیدروژن از محلول قلیایی هیدروژن سولفید را ارتقا می­دهد.

منابع

Ain, N. U., Shaheen, W., Bashir, B., Abdelsalam, N. M., Warsi, M. F., Khan, M. A., & Shahid, M. (2016). Electrical, magnetic and photoelectrochemical activity of rGO/MgFe2O4 nanocomposites under visible light irradiation. Ceramics International, 42(10), 12401–12408. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.04.179

Anthony Raja, M., & Preethi, V. (2020). Performance of Square and Trapezoidal photoreactors for solar hydrogen recovery from various industrial sulphide wastewater using CNT/Ce3+ doped TiO2. International Journal of Hydrogen Energy, 45(13), 7616–7626. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.168

Bose, S., Kumar Tripathy, B., Debnath, A., & Kumar, M. (2021). Boosted sono-oxidative catalytic degradation of Brilliant green dye by magnetic MgFe2O4 catalyst: Degradation mechanism, assessment of bio-toxicity and cost analysis. Ultrasonics Sonochemistry, 75, 105592. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105592

Chatterjee, A., & Or, S. W. (2020). Metal–organic framework-derived MnO/CoMn2O4@N–C nanorods with nanoparticle interstitial decoration in core@shell structure as improved bifunctional electrocatalytic cathodes for Li–O2 batteries. Electrochimica Acta, 338, 135809. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.135809

Shabrawy, S., Bocker, C., & Rüssel, C. (2016). Crystallization of MgFe2O4 from a glass in the system K2O/B2O3/MgO/P2O5/Fe2O3. Solid State Sciences, 60, 85–91.

https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2016.08.007

Fan, W., Li, M., Bai, H., Xu, D., Chen, C., Li, C., Ge, Y., & Shi, W. (2016). Fabrication of MgFe2O4/MoS2 Heterostructure Nanowires for Photoelectrochemical Catalysis. Langmuir, 32(6), 1629–1636. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b03887

Fodor, L., Solymosi, B., & Horváth, O. (2019). Investigation of Hydrogen Production from Alkaline Sulfide Solution with Nanosized CdS/ZnS-PdS Photocatalyst of Various Compositions. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 19(1), 509–515. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.15794

Ghanbari, D., & Salavati-Niasari, M. (2015). Hydrothermal synthesis of different morphologies of MgFe2O4 and magnetic cellulose acetate nanocomposite. Korean Journal of Chemical Engineering, 32(5), 903–910. https://doi.org/10.1007/s11814-014-0306-x

Ilhan, S., Izotova, S. G., & Komlev, A. A. (2015). Synthesis and characterization of MgFe2O4 nanoparticles prepared by hydrothermal decomposition of co-precipitated magnesium and iron hydroxides. Ceramics International, 41(1), 577–585. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.08.106

Jangam, K. V., Joshi, A. S., Chen, Y. Y., Mahalingam, S., Sunny, A. A., & Fan, L. S. (2021). Synergistic decomposition of H2S into H2 by Ni3S2 over ZrO2 support via a sulfur looping scheme with CO2 enabled carrier regeneration. Chemical Engineering Journal, 426, 131815. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131815

Jia, J., Du, X., Zhang, Q., Liu, E., & Fan, J. (2019). Z-scheme MgFe2O4/Bi2MoO6 heterojunction photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic activity for malachite green removal. Applied Surface Science, 492, 527–539. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.06.258

Kamali, M., Sheibani, S., & Ataie, A. (2021). Magnetic MgFe2O4–CaFe2O4 S-scheme photocatalyst prepared from recycling of electric arc furnace dust. Journal of Environmental Management, 290, 112609. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112609

Kaur, N., & Kaur, M. (2018). Envisioning the composition effect on structural, magnetic, thermal and optical properties of mesoporous MgFe2O4-GO nanocomposites. Ceramics International, 44(4), 4158–4168. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.217

Khan, S. B., Khan, M. S. J., Akhtar, K., Bakhsh, E. M., Kamal, T., Asiri, A. M., & Shen, Y. (2021). Design of efficient solar photocatalytic system for hydrogen production and degradation of environmental pollutant. Journal of Materials Research and Technology, 14, 2497–2512. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.097

Lashgari, M., Elyas-Haghighi, P., & Takeguchi, M. (2017). A highly efficient pn junction nanocomposite solar-energy-material [nano-photovoltaic] for direct conversion of water molecules to hydrogen solar fuel. Solar Energy Materials and Solar Cells, 165, 9–16. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.02.028

Lashgari, M., & Ghanimati, M. (2014). A highly efficient nanostructured quinary photocatalyst for hydrogen production. International Journal of Energy Research, 39(4), 516–523. https://doi.org/10.1002/er.3265

Lashgari, M., & Ghanimati, M. (2018). Photocatalytic degradation of H2S aqueous media using sulfide nanostructured solid-solution solar-energy-materials to produce hydrogen fuel. Journal of Hazardous Materials, 345, 10–17. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.10.062

Lashgari, M., & Ghanimati, M. (2019a). A new efficient eco-friendly quaternary solid-solution nanoenergy material for photocatalytic hydrogen fuel production from H2S aqueous feed. Chemical Engineering Journal, 358, 153–159. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.011

Lashgari, M., & Ghanimati, M. (2019b). An excellent heterojunction nanocomposite solar-energy material for photocatalytic transformation of hydrogen sulfide pollutant to hydrogen fuel and elemental sulfur: A mechanistic insight. Journal of Colloid and Interface Science, 555, 187–194. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.07.095

Lashgari, M., & Ghanimati, M. (2020). Pollutant photo-conversion strategy to produce hydrogen green fuel and valuable sulfur element using H2S feed and nanostructured alloy photocatalysts: Ni-dopant effect, energy diagram and photo-electrochemical characterization. Chemical Engineering Research and Design, 162, 85–93. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.07.024

Lashgari, M., & Soodi, S. (2020). CO2 conversion into methanol under ambient conditions using efficient nanocomposite photocatalyst/solar-energy materials in aqueous medium. RSC Advances, 10(26), 15072–15078. https://doi.org/10.1039/d0ra01733g

Lashgari, M., & Zeinalkhani, P. (2018). Ammonia photosynthesis under ambient conditions using an efficient nanostructured FeS2/CNT solar-energy-material with water feedstock and nitrogen gas. Nano Energy, 48, 361–368. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.079

Li, Y., Yu, S., Doronkin, D. E., Wei, S., Dan, M., Wu, F., Ye, L., Grunwaldt, J. D., & Zhou, Y. (2019). Highly dispersed PdS preferably anchored on In2S3 of MnS/In2S3 composite for effective and stable hydrogen production from H2S. Journal of Catalysis, 373, 48–57. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.03.021

Liu, T., Yang, K., Gong, H., & Jin, Z. (2021). Visible-light driven S-scheme Mn0.2Cd0.8S/CoTiO3 heterojunction for photocatalytic hydrogen evolution. Renewable Energy, 173, 389–400.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.146

Martin Mark, J. A., Venkatachalam, A., A, P., N, S., K, J., & Jesuraj, J. P. (2021). Investigation on structural, optical and photocatalytic activity of CoMn2O4 nanoparticles prepared via simple co-precipitation method. Physica B: Condensed Matter, 601, 412349. https://doi.org/10.1016/j.physb.2020.412349

Nagakawa, H., Ochiai, T., Takekuma, Y., Konuma, S., & Nagata, M. (2018). Effective Photocatalytic Hydrogen Evolution by Cascadal Carrier Transfer in the Reverse Direction. ACS Omega, 3(10), 12770–12777. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b02449

Rodriguez, J. A., & Maiti, A. (2000). Adsorption and Decomposition of H2S on MgO(100), NiMgO(100), and ZnO(0001) Surfaces: A First-Principles Density Functional Study. The Journal of Physical Chemistry B, 104(15), 3630–3638. https://doi.org/10.1021/jp000011e

Sahoo, S. K., & Hota, G. (2018). Surface functionalization of GO with MgO/MgFe2O4 binary oxides: A novel magnetic nanoadsorbent for removal of fluoride ions. Journal of Environmental Chemical Engineering, 6(2), 2918–2931. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.04.054

Salah, B., & Ayesh, A. I. (2021). Fabrication of H2S sensitive gas sensors formed of SnO2–Fe2O3 composite nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 266, 124597.

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124597

Sepahvand, R. (2011). Synthesis and Characterization of Carbon Nanotubes Decorated with Magnesium Ferrite (MgFe2O4) Nanoparticles by Citrate-Gel Method. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran, 22(2), 177-182.

Shetty, K., Lokesh, S., Rangappa, D., Nagaswarupa, H., Nagabhushana, H., Anantharaju, K., Prashantha, S., Vidya, Y., & Sharma, S. (2017). Designing MgFe2O4 decorated on green mediated reduced graphene oxide sheets showing photocatalytic performance and luminescence property. Physica B: Condensed Matter, 507, 67–75. https://doi.org/10.1016/j.physb.2016.11.021

Shi, T., Hou, H., Hussain, S., Ge, C., Alsaiari, M. A., Alkorbi, A. S., Liu, G., Alsaiari, R., & Qiao, G. (2022). Efficient detection of hazardous H2S gas using multifaceted Co3O4/ZnO hollow nanostructures. Chemosphere, 287, 132178. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132178

Sripriya, R., Mahendiran, M., Madahavan, J., & Victor Antony Raj, M. (2019). Enhanced magnetic Properties of MgFe2O4 nanoparticles. Materials Today: Proceedings, 8, 310–314. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.02.116

Vaish, G., Kripal, R., & Kumar, L. (2019). EPR and optical studies of pure MgFe2O4 and ZnO nanoparticles and MgFe2O4–ZnO nanocomposite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 30(17), 16518–16526. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02028-y

Vaish, G., Kripal, R., & Kumar, L. (2021). Comprehensive study of magnetic and optoelectronic properties of MgFe2O4–TiO2 nanocomposites. Materials Chemistry and Physics, 271, 124911.

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124911

Vikrant, K., Kim, K. H., & Deep, A. (2019). Photocatalytic mineralization of hydrogen sulfide as a dual-phase technique for hydrogen production and environmental remediation. Applied Catalysis B: Environmental, 259, 118025. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118025

Wang, D., Han, D., Shi, Z., Wang, J., Yang, J., Li, X., & Song, H. (2018). Optimized design of three-dimensional multi-shell Fe3O4/SiO2/ZnO/ZnSe microspheres with type II heterostructure for photocatalytic applications. Applied Catalysis B: Environmental, 227, 61–69. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.01.002

Wang, L., Yang, H., Yang, J., Yang, Y., Wang, R., Li, S., Wang, H., & Ji, S. (2016). The effect of the internal magnetism of ferromagnetic catalysts on their catalytic activity toward oxygen reduction reaction under an external magnetic field. Ionics, 22(11), 2195–2202. https://doi.org/10.1007/s11581-016-1746-6

Yamamoto, T., Tayakout-Fayolle, M., & Geantet, C. (2015). Gas-phase removal of hydrogen sulfide using iron oxyhydroxide at low temperature: Measurement of breakthrough curve and modeling of sulfidation mechanism. Chemical Engineering Journal, 262, 702–709. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.09.093

Yan, Z., Gao, J., Li, Y., Zhang, M., & Guo, M. (2015). Hydrothermal synthesis and structure evolution of metal-doped magnesium ferrite from saprolite laterite. RSC Advances, 5(112), 92778–92787. https://doi.org/10.1039/c5ra17145h

Yi, H., Huang, D., Qin, L., Zeng, G., Lai, C., Cheng, M., Ye, S., Song, B., Ren, X., & Guo, X. (2018). Selective prepared carbon nanomaterials for advanced photocatalytic application in environmental pollutant treatment and hydrogen production. Applied Catalysis B: Environmental, 239, 408–424. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.07.068

Yuan, W., Cheng, L., An, Y., Lv, S., Wu, H., Fan, X., Zhang, Y., Guo, X., & Tang, J. (2018). Laminated Hybrid Junction of Sulfur-Doped TiO2and a Carbon Substrate Derived from Ti3C2MXenes: Toward Highly Visible Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Evolution. Advanced Science, 5(6), 1700870. https://doi.org/10.1002/advs.201700870

Yuan, X., Wang, H., Wu, Y., Chen, X., Zeng, G., Leng, L., & Zhang, C. (2015). A novel SnS2–MgFe2O4/reduced graphene oxide flower-like photocatalyst: Solvothermal synthesis, characterization and improved visible-light photocatalytic activity. Catalysis Communications, 61, 62–66. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2014.12.003

Zhou, J., Cheng, S., Jiang, Y., Zheng, F., Ou, X., Yang, L., Wang, M., Yao, M., & Liu, M. (2017). Fabrication of TiO2 coated porous CoMn2O4 submicrospheres for advanced lithium-ion anodes. RSC Advances, 7(34), 21214–21220. https://doi.org/10.1039/c7ra02789c

 

[1]  Jangam

[2]  Shi

[3]  Lashgari & Ghanimati

[4]  Salah & Ayesh

[5]  Raja & Preethi

[6]  Vikrant

[7]  Khan

[8]  Yi

[9]  Kamali

[10]  Wang

[11]  Abel

[12]  Jia

[13]  Ain

[14]  Bose

[15]  Sahoo

[16]  Sripriya

[17]  Vaish

[18]  Rodriguez

[19]  Yamamoto

[20]  Fan

[21]  Zhou

[22] 1 Yan

[23]  Ghanbari & Salavati

[24]  Ilhan

[25]  Chatterjee

[26]  Lashgari & Soodi

[27]  Lashgari, M., & Zeinalkhani

[28]   Spinel

[29]  Yuan

[30]  Shabrawy

[31]  Energy dispersive X-ray spectrometery (EDS)

[32]  Field emission scanning electron microscopy (FESEM)

[33] . Sepahvand

[34]  Kaur

[35]  Shetty

[36]  Hole-scavenger

[37]  Li

[38]  Liu

[39]  Fodor

[40]  Nagakawa

 

(3)

 

 

(4)

 


رایمگ

سامانه رایمگ تمامی فرآیندهای دریافت، ارزیابی و داوری، ویراستاری، صفحه‌آرایی و انتشار الکترونیکی نشریات علمی را به انجام می‌رساند

پیوندهای سایت

مراکز مرتبط

پشتیبانی

صفحات رسمی

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات رایمگ است.
حق نشر © 1404-1396

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره رایمگ| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]