Příprava a charakterizace fotokatalyticky aktivních nanočástic ZnS a nanokompozitů ZnS/kaolinit

Julie Smijová

Doctoral thesis

Preparation and characterization of photocatalytically active ZnS nanoparticles and ZnS/kaolinite nanocomposites

Abstract:

Znečištění životního prostředí organickými látkami je jedním z palčivých problémů současnosti. Řešením mohou být fotokatalyticky aktivní materiály, které jsou schopny rozkládat organické nečistoty na menší molekuly a v ideálním případě až na vodu a oxid uhličitý. Tato disertační práce se zaměřuje na přípravu a charakterizaci fotoaktivního nanostrukturovaného ZnS (nano-ZnS) a kompozitu nano-ZnS/kaolinit. Jílový minerál kaolinit (K) byl primárně použit pro imobilizaci fotokatalyzátoru nano-ZnS za současného zvýšení fotokatalytické aktivity (FA) výsledného nanokompozitu. V práci byl zkoumán vliv reakčních podmínek na vlastnosti nano-ZnS a kompozitu nano-ZnS/K. S ohledem na dobu přípravy a spotřebu energie byly nano-ZnS a kompozit nano-ZnS/K syntetizovány z prekurzorů ZnCl2 a Na2S konvenční hydrotermální (H) a mikrovlnami asistovanou hydrotermální (M) metodou s reakčními časy 90, 150, 210 min a 10 20, 30 min. Pro všechny reakční doby byly testovány tři molární poměry nZn:nS (1:1; 1,5:1; 2:1). U všech nanokompozitů byl hmotnostní poměr prekurzorů (ZnCl2 a Na2S) : K roven 1:1. U nanokompozitů byly testovány stejné reakční doby a molární poměry nZn:nS jako v případě nano-ZnS. Vzorky byly charakterizovány pomocí XRPD, FTIR, Ramanovy mikrospektroskopie, UV-VIS a SEM. FA byla stanovena na barvivu Acid oranž 7 pod UV zářením (λ = 365 nm) a u vybraných vzorků také pod slunečním zářením (SL). Po 360 min UV záření bylo dosaženo FA 96 % (nano-ZnS; H; 210 min; 1:1, 1,5:1 nebo 2:1) a 92 % (nano-ZnS; M; 30 min; 1,5:1 nebo 2 :1). Při působení SL bylo dosaženo FA 96 % (nano-ZnS; H; 210 min; 2:1) po 120 min a 92 % (nano-ZnS; M; 20 min; 2:1) po 540 min. Pro srovnání, kompozity nano ZnS/K byly schopny dosáhnout podobné FA i přes mnohem nižší obsah ZnS (~40 hm.%). Po 360 min UV záření bylo dosaženo FA 98 % (nano-ZnS/K; H; 210 min; 1:1) a 90 % (nano-ZnS/K; M; 30 min; 1:1). Při působení SL bylo dosaženo FA 97 % (nano-ZnS/K; H; 210 min; 2:1) a 93 % (nano ZnS/K; M; 20 min; 2:1) po 540 min. Testy peroxidace lipidů odhalily schopnost inhibovat peroxidaci u všech nanokompozitů ve srovnání s negativní kontrolou (tj. roztok bez vzorku). Netoxicita a vysoká FA při přirozeném SL naznačují potenciál pro venkovní použití při čištění vody nebo ve stavebnictví. Nanokompozity navíc vykazují podobné antibakteriální účinky vůči bakteriím S. aureus a E. coli, což je předurčuje k možnému využití jako antibakteriálních činidel bez nutnosti aktivace vnějším zářením.

Abstract:

Environmental pollution by organic substances is one of the burning problems of today. Photocatalytic active materials are able to degrade organic impurities into smaller molecules and, ideally, to water and carbon dioxide. This dissertation focuses on the preparation and characterization of photoactive nanostructured ZnS (nano-ZnS) and composite nano ZnS/kaolinite. Clay mineral kaolinite (K) is used for the immobilization of the photoactive nano-ZnS, while increasing the photocatalytic activity (FA) of the resulting nanocomposite. Influence of reaction conditions on properties of nano-ZnS and composite nano-ZnS/K was investigated. Considering preparation time and energy consumption, the nano-ZnS and composite nano-ZnS/K was synthesized from ZnCl2 and Na2S via conventional hydrothermal (H) and microwave-assisted hydrothermal (M) method with reaction times 90, 150, 210 min and 10, 20, 30 min, respectively. For all reaction times, three nZn:nS molar ratios (1:1; 1.5:1; 2:1) were tested. In the composite nano-ZnS/K precursors (ZnCl2 and Na2S) : K mass ratio was 1:1 for all samples. The same reaction times and nZn:nS molar ratios as in the case of nano-ZnS were tested. Samples were characterized by XRPD, FTIR, Raman microspectroscopy, UV-VIS and SEM. FA was determined on Acid orange 7 under UV radiation (λ = 365 nm), and for selected samples also under the sunlight (SL). After 360 min of UV radiation, FA 96 % (nano-ZnS; H; 210 min; 1:1, 1.5:1 or 2:1) and 92 % (nano-ZnS; M; 30 min; 1.5:1 or 2:1) was reached. Under the SL, FA 96 % (nano-ZnS; H; 210 min; 2:1) and 92 % (nano-ZnS; M; 20 min; 2:1) was achieved after 120 and 540 min, respectively. In comparison, nano-ZnS/K composites were able to achieve similar FA despite having a much lower ZnS content (~40 wt%). After 360 min of UV irradiation, FA 98 % (nano-ZnS/K; H; 210 min; 1:1) and 90 % (nano-ZnS/K; M; 30 min; 1:1) were reached. Under the SL, FA 97 % (nano-ZnS/K; H; 210 min; 2:1) and 93 % (nano-ZnS/K; M; 20 min; 2:1) were achieved after 540 min, respectively. Lipid peroxidation tests revealed the ability to inhibit the peroxidation for all nanocomposites compared to the blank negative control (i.e. solution without sample). The non-toxicity and hight FA under natural SL suggest the potential for outdoor use in water purification or construction industry. In addition, the nanocomposites show similar antibacterial effects against S. aureus and E. coli bacteria, which predicts their possible use as antibacterial agents without using external irradiation to activate the photocatalyst.

Keywords

ZnS, kaolinit, konvenční hydrotermální syntéza, mikrovlnami-asistovaná hydrotermální syntéza, fotokatalytická aktivita, antibakteriální aktivita

Keywords

ZnS, kaolinite, conventional hydrothermal synthesis, microwave-assisted hydrothermal synthesis, photocatalytic activity, antibacterial activity

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 9. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Jonáš Tokarský
• Reader: Juraj Bujdák, Ludvík Beneš, Petr Martinec

VSB – Technical University of Ostrava

Univerzitní studijní programy

Doctoral programme / field:
Nanotechnologie / Nanotechnologie