Synthesis, Characterization, Electronic Structure of Reduced Graphene Oxide Modified FeNbO₄, NH₂-Mil-125(Ti) Modified FeNbO₄ Composites and Their Photo catalytic Activities
یوفر إنتاج المواد ذات القیمة المضافة من خلال استخدام ثاني أكسید الكربون باستخدام التحفیز الضوئي طریقة بدیلة صدیقة للبیئة لمعالجة ثاني أكسید الكربون. تسمح المحفزات الضوئیة ذات فجوة الحزمة العریضة بامتصاص الضوء في منطقة الأشعة فوق البنفسجیة، والتي تمثل أقل نسبة من إشعاع ضوء الشمس. من جھة أخرى، تمتص المحفزات الضوئیة ذات فجوة الحزمة الضیقة الضوء في المنطقة المرئیة، لكن معدل إعادة التركیب السریع لأزواج الحفرة الإلكتر المتولدة یؤثر على نشاطھا . في ھذه الأطروحة، تم تصنیع فجوة النطاق الضيق FeNbO₄ ودراستھ ا ومحاولة تقلیل معدل إعادة التركیب وتعزیز نشاط التحفیز الضوئي.
لقد تم تحضیر المحفزات الضوئیة التي تعمل بالضوء المرئي FeNbO₄ باستخدام طرق تحضیریھ مختلفة وقیم ھیدروجینیة مختلفة ومن ثم تم تمییزھا باستخدام UV-vis DRS و PXRD و BET و SEM, و EDS. تم الحصول على الشكل البلوري monoclinic لجمیع طرق التحضیر والمختلفة، حیث اختلفت فجوة النطاق ومساحة السطح مع طریقة التحضیر وقیمة الرقم الھیدروجیني. أظھر مركب FeNbO₄ المحضر عبر الترسیب المشترك أعلى مساحة سطحیة بفجوة قیمة نطاقھا یبلغ 1.85 الكترون فولت.
و تم دمج FeNbO₄ الذي تم تحضیره بطریقة الترسیب المشترك مع .rGO باستخدام ثلاث نسب كتلیة مختلفة من 3% rGO ،rGO .FeNbO₄-5% rGO ،FeNbO₄-10% rGO ،FeNbO₄- وتؤكد النتائج الدمج الناجح ﻠ rGO في FeNbO₄ ودور rGO منفي تقلیل معدل إعادة التركیب. لولقد تم اختبار النشاط التحفیزي للمركبات المحضرة عن طریق الإضافة الحلقیة لثاني أكسید الكربون في أكسید البروبیلین، حیث أظھر FeNbO₄-5% rGO أعلى نشاط حفاز ضوئي بنسبة إنتاجیة تبلغ 57 % .
علاوة على ذلك، تم تحضیر وتوصیف وفحص النشاط التحفیزي لثلاث مركبات FeNbO₄/NH₂-MIL-125(Ti) بنسب مولیة مختلفة، وتم فحص نشاطھا التحفیزي لنفس التفاعل. تؤكد البیانات التي تم الحصول علیھا أن التفاعل یعمل بالتحفیز الضوئي. أظھر ( % (75 FeNbO₄
NH₂-MIL-125(Ti) (25%) أعلى نسبة إنتاجیة تبلغ 52%،وتشیر النتائج إلى آلیة تعاونیة بین FeNbO₄ و NH₂-MIL-125(Ti)
أثبت كلا المركبین FeNbO₄/rGO و NH₂-MIL-125(Ti)/ FeNbO₄ فعالیتھما في زیادة نشاط التحفیز الضوئي مقارنة ب FeNbO₄ . وقد لوحظ أن مع زیادة نسبة rGO، ز اد نشاط التحفیز الضوئي حیث أن rGO %5 - FeNbO₄ أظھر أعلى إنتاجیة حیث یعمل rGO كغطاء للإلكترونات، مما یعیق إعادة تركیب أزواج الثقب الإلكتروني. یرتبط العائد المرتفع الذي تم الحصول عليه ┘ ₂₅% ₎ ₎ NH₂-MIL-125(Ti) (% 75 ) بقدرة FeNbO₄ على امتصاص المزید من الإلكترونات المولدة للضوء التي تنتقل إلى (LUMO) ┘ NH₂-MIL-125(Ti) وبالتالي تقلیل معدل إعادة التركیب. یمكن توجیه العمل المستقبلي نحو اختبار ركیزة الإیبوكسیدات المختلفة لمقارنة فعالیة المحفزات الضوئیة. علاوة على ذلك، یمكن تنفیذ طرق تحضیر مختلفة لإعداد المركبات لتعزیزتفاعل كلا النظامین وبالتالي تحسین النشاط الضوئي للمحفزات الضوئیة
Abstract
The production of value-added products through CO₂ utilization using photocatalysis offers an alternative green route for CO₂ fixation. Wide bandgap photocatalysts allow the absorption of light in the UV region, which represents the lowest percentage of the sunlight irradiation. On the other hand, narrow bandgap photocatalysts absorb light in the visible region, though the recombination rate of the generated electron-hole pairs affects their activity. In this thesis, the narrow band gap FeNbO₄ is synthesized, studied and efforts are made to reduce the recombination rate and enhancing the photocatalytic activity.
FeNbO₄ visible-light-driven photocatalysts are synthesized using various synthetic methods and different pH values and characterized using UV-vis DRS, PXRD, BET, SEM, and EDS. Monoclinic phase is obtained for all different preparation methods, where band gap and surface area varied with synthesizing method and pH value. FeNbO₄prepared via co-precipitation method presented the highest surface area with a band gap value of 1.85 eV.
FeNbO₄ prepared via co-precipitation method is further synthesized incorporating rGO. Three different mass ratios of rGO were used, FeNbO₄-3% rGO, FeNbO₄-5% rGO, and FeNbO₄-10% rGO. Results confirm the successful incorporation of rGO into FeNbO₄ and the role of rGO in reducing the recombination rate. The prepared composites are examined for the photocatalytic cycloaddition of CO₂ into propylene oxide, where FeNbO₄-5% rGO exhibits the highest photocatalytic activity with a percent yield of 57%.
Moreover, three FeNbO₄/NH₂-MIL-125(Ti) composites with different mole ratios are prepared, characterized and their photocatalytic activity is evaluated for the same reaction. Obtained data confirms that the reaction proceeds photocatalytically. FeNbO₄ (75%) /NH₂-MIL-125(Ti) (25%) shows the highest percent yield of 52%, results suggest the cooperative mechanism between FeNbO₄ and NH₂-MIL-125(Ti).
Both composites FeNbO₄/rGO and FeNbO₄/NH₂-MIL-125(Ti) have proven to be effective in increasing photocatalytic activity compared to FeNbO₄. As percentage rGO increases, the photocatalytic activity has increased showing the highest yield for FeNbO₄-5% rGO where rGO works as electron trapper, hindering electron-hole pairs recombination. The high percent yield obtained for FeNbO₄ (75%) /NH₂-MIL-125(Ti) (25%)is related to the capability of FeNbO₄ to absorb more light generating electronsthat move to the(LUMO) of NH₂-MIL-125(Ti), hence reducing therecombinationrate. Future work could be directed toward testing various epoxidessubstrate tocompare the effectivenessofthephotocatalysts. Furthermore, differentsynthesizingmethods forpreparing composites could be implemented to enhance the interaction ofboth systems thus improving the photoactivity ofthe photocatalysts.