Reaksi Fotokatalitik Peningkatan Medan Magnet dalam Reaktor Chip Optofluida Mikro

Hasil dan Diskusi

Hasil percobaan panjang 240 min (4 h) menunjukkan bahwa menerapkan medan magnet vertikal eksternal (B), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan 6a, untuk degradasi fotokatalitik MO dalam reaktor MOFC meningkatkan laju peluruhan C/Co (Gbr. 3). Degradasi fotokatalitik (5 μM konsentrasi awal untuk semua percobaan) berlangsung dalam langkah-langkah berikut [17, 21]:

1. (1)

   TiO₂ + hν → TiO₂ (hVB ⁺ ) + TiO₂ (eCB ⁻ )

2. (2)

   TiO₂ (hVB ⁺ ) + H₂ O → TiO₂ + H ⁺ + OH ⁻

3. (3)

   TiO₂ (hVB ⁺ ) + OH ⁻ → TiO₂ + *OH

4. (4)

   MO + *OH → produk degradasi

5. (5)

   TiO₂ (eCB ⁻ ) + O₂ → TiO₂ + *O₂ ⁻

6. (6)

   *O₂ ⁻ + H ⁺ → *HO₂

7. (7)

   MO + *HO₂ ⁻ → produk degradasi

Degradasi fotokatalitik MO di bawah penerapan (a ) medan magnet vertikal dengan dan tanpa EA dan (b ) berbagai medan magnet

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa medan NM dapat meningkatkan rasio terdegradasi total MO 1,78 kali lipat, (1-B_V)/(1-ref). Dalam percobaan yang mengandung aditif etil alkohol (EA), dalam waktu pemrosesan 4 h, medan magnet eksternal meningkatkan rasio total terdegradasi MO dalam eCB ⁻ jalur, (1-B_V_EA)/(1-EA).

Pengaruh penerapan medan magnet lateral (LM) (Gbr. 2b) juga dipelajari. Besarnya medan LM divariasikan menggunakan kombinasi magnet yang berbeda. Pasangan magnet memberikan berbagai medan LM yang sejajar dengan bidang TiO₂ endapan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, sepasang magnet neodymium (B-L) memberikan medan magnet hingga 90 ± 5 Oe. Empat pasang dan dua pasang magnet (B-4 L dan B-2 L pada Gambar. 3b, masing-masing) juga digunakan untuk mempelajari efek peningkatan kekuatan medan magnet pada degradasi fotokatalitik MO. Dalam kedua kasus, efisiensi degradasi meningkat relatif terhadap yang dihasilkan menggunakan medan magnet yang diterapkan secara vertikal (B-V, ditunjukkan pada Gambar. 3b). Perhatikan bahwa besarnya medan magnet yang diterapkan secara vertikal adalah ~ 1000 Oe, yang jauh lebih kuat daripada di susunan lateral. Oleh karena itu, peningkatan degradasi fotokatalitik MO akibat penerapan medan LM lebih baik dibandingkan dengan penerapan medan NM.

Untuk lebih memahami efek medan magnet pada jalur reaksi kimia, kami memeriksa degradasi fotokatalitik MO dengan dan tanpa EA di bawah kondisi medan LM dengan besaran yang berbeda (Gbr. 4a). EA 0,16 mL ditambahkan ke larutan uji 20 mL. EA berfungsi sebagai pemulung [22, 23] lubang panas yang dihasilkan di TiO₂ NP di bawah penerangan cahaya 254 nm. Medan magnet yang diterapkan secara lateral secara positif meningkatkan degradasi fotokatalitik MO tanpa EA. Namun, dalam percobaan dengan EA, tidak ada perbedaan nyata yang diamati dari peningkatan kekuatan medan LM. EA yang ditambahkan berfungsi sebagai pemulung lubang panas yang disebabkan oleh cahaya (hVB ⁺ ). Langkah-langkah reaksi 2, 3, dan 6 ditekan dalam percobaan yang mengandung EA. Hasil eksperimen pada Gambar 4a menunjukkan bahwa reaksi fotokatalitik langkah 5–7 dari eCB ⁻ jalur reaksi tidak terpengaruh oleh medan LM.

Hasil percobaan. a Degradasi fotokatalitik MO dari penerapan berbagai medan magnet dengan dan tanpa EA. b Pengaruh kecepatan aliran dalam reaksi fotokatalitik yang ditingkatkan medan magnet dalam reaktor chip optofluida mikro

Untuk lebih memahami pengaruh arah medan magnet dan adsorpsi gelap molekul MO pada reaksi fotokatalitik, percobaan tambahan dilakukan menggunakan medan LM dalam arah yang berlawanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Gambar yang disematkan pada Gambar 5a menunjukkan adsorpsi gelap MO oleh P25 TiO₂ yang diendapkan NP tanpa penerangan sinar UV pada jam pertama percobaan. Medan magnet dalam arah yang berlawanan (BM, FM) dan percobaan tanpa medan magnet (No) memberikan hasil yang serupa pada langkah adsorpsi gelap. Setelah adsorpsi gelap 1 jam, lampu UV dinyalakan dan degradasi fotokatalitik MO dimulai. Degradasi fotokatalitik MO dengan medan LM memiliki efisiensi pemrosesan yang lebih tinggi daripada tanpa medan magnet (No), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Efek medan magnet pada penyerapan gelap dan OH ⁻ migrasi. a Degradasi fotokatalitik MO di bawah penerapan BM dan FM. b Skema migrasi OH yang diinduksi medan magnet ⁻ dalam reaktor chip mikro optofluida. c Skema OH ⁻ migrasi oleh gaya elektrostatik dalam saluran fluida dalam kasus BM

Dari hasil percobaan Gambar. 4 dan 5, diyakini bahwa gerakan paksa OH ⁻ (kecepatan v dan menagih q = −e ) dengan gaya magnet (F _B = qv × B ) meningkatkan efisiensi reaksi fotokatalitik. Menurut persamaan Hagen–Poiseuille, kecepatan aliran bidang Poiseuille mengalir pada berbagai posisi (z ) terkait dengan dinding samping saluran fluida dapat secara sederhana digambarkan sebagai v _z = v ₀ z (h − z ) [24]; di sini, untuk mikofluida biasa, v _z = 0 di atas (z = h ) dan dinding bawah (z = 0 ) bertindak sebagai kondisi batas tanpa slip pada sumbu lebar saluran terkecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Oleh karena itu, v _maks = v ₀ di setengah tinggi saluran aliran mikro (z = h/2 ). Pada penerapan medan magnet luar, gaya magnet luar mendorong ion hidroksil (OH ⁻ ) dari lapisan berkecepatan tinggi untuk terakumulasi di lapisan berkecepatan rendah di dekat endapan TiO₂ . OH ⁻ konsentrasi pada batas saluran (z = 0, h ) meningkat dengan meningkatnya medan magnet eksternal dan dapat disebut sebagai "kondensasi ion." Dalam mekanika statistik, potensial kimia OH ⁻ dalam larutan uji adalah μ = k _B T log(t/n _T ) [25], di mana k _B adalah konstanta Boltzmann, n adalah konsentrasi OH ⁻ , dan n _T = [(M k _B T/2πℏ ² )] ^3/2 adalah konsentrasi kuantum OH ⁻ pada suhu T . A adalah massa OH ⁻ . ℏ adalah konstanta Planck yang direduksi. Oleh karena itu, potensial kimia μ_B = k _B T log(t/n _T ) dari OH ⁻ di z = 0, dan h ditingkatkan oleh bidang eksternal B.

a Degradasi fotokatalitik MO di bawah berbagai medan magnet dengan dan tanpa EA. b Pengaruh kecepatan aliran dalam reaksi fotokatalitik yang ditingkatkan medan magnet dalam reaktor chip optofluida mikro. c . Pengaruh ion-kondensasi OH dalam mikofluida

Dalam kasus BM, medan magnet memaksa OH ⁻ ion untuk bergerak keluar dari area pusat kecepatan aliran tinggi dan ke bagian atas kecepatan aliran rendah dari TiO yang tidak terdeposit₂ . Akumulasi OH ⁻ ion elektrik saling mengusir untuk berdifusi di daerah kecepatan aliran rendah dekat dinding saluran fluida, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Konsentrasi OH ⁻ berdekatan dengan TiO yang diendapkan₂ demikian secara bertahap meningkat. Ini secara tidak langsung meningkatkan laju perpindahan massa OH ⁻ ke TiO yang disetorkan₂ dalam kasus BM, proses reaksi fotokatalitik dalam efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tanpa medan magnet.

Gambar 4b menunjukkan pengaruh kecepatan aliran pada reaksi fotokatalitik yang ditingkatkan medan magnet dalam reaktor chip optofluida mikro. Hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan aliran atau kecepatan perjalanan ion bermuatan (v ) menghasilkan penurunan efisiensi degradasi fotokatalitik dan penurunan waktu tinggal material yang berjalan dalam chip fluidic. Mereka menyebabkan penurunan yang signifikan dalam tingkat generasi *OH. Secara keseluruhan, peningkatan kecepatan aliran menghasilkan sedikit, tetapi masih dapat diamati, penurunan jalur elektron panas dari reaksi fotokatalitik.

Dalam kasus bidang NM (Gbr. 3a), OH ⁻ dipaksa untuk bergerak melingkar pada bidang yang sejajar dengan TiO yang diendapkan₂ lapisan. Ini juga meningkatkan laju perpindahan massa dalam cairan dan efisiensi pemrosesan fotokatalitik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Namun, penambahan EA tidak dapat menekan jalur lubang panas dari jalur degradasi fotokatalitik MO dalam cairan mikro. Medan magnet yang besar (~ 1000 Oe) dapat meningkatkan reaksi fotokatalitik melalui mekanisme kompleks di luar migrasi atau kondensasi OH ⁻ dalam mikrofluida. Ini berarti medan magnet raksasa dapat mengatasi sebagian efeknya dengan menambahkan hot-hole scavenger (EA).

Dalam karya referensi, efek OANS [16,17,18,19] disarankan untuk bertanggung jawab atas efek medan magnet dalam meningkatkan reaksi fotokatalitik. Eksperimen tambahan dalam reaksi fotokatalitik berbantuan medan magnet juga diproses terkait oksigen terlarut mengikuti prosedur eksperimen yang sama pada Gambar 5. Nilai DO diukur menggunakan DO meter (DO-5510, Lutron Electronic Enterprise Co. Ltd.) . Tingkat DO asli diubah dengan gelembung udara ke dalam larutan uji. C/Co akhir secara kasar menurun dengan meningkatnya konsentrasi DO. Oleh karena itu, efisiensi pemrosesan reaksi fotokatalitik magnetik secara positif tergantung pada DO awal. Hasil juga menunjukkan bahwa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, perbedaan negatif antara oksigen terlarut sebelum dan sesudah berarti generasi oksigen juga terjadi dalam proses. Ini mungkin berasal dari generasi oksigen fotokatalitik.

Degradasi fotokatalitik MO yang dipengaruhi medan magnet di bawah penerapan BM dan FM dengan berbagai konsentrasi oksigen terlarut. a C/Co Akhir dan b perbedaan oksigen terlarut (digunakan) sebelum dan sesudah proses

Efek OANS menunjukkan bahwa molekul oksigen dapat membentuk bahan kimia kompleks dengan molekul pewarna dan menarik ke permukaan fotokatalis di bawah penerangan cahaya eksternal dan medan magnet. Hal ini menyebabkan peningkatan pada reaksi fotokatalitik magnetik. Namun, pembentukan oksigen juga akan mengkonsumsi hVB yang diinduksi ⁺ . Oleh karena itu, efek OANS dan pembentukan oksigen fotokatalitik menghasilkan efisiensi degradasi MO fotokatalitik yang rendah ketika konsentrasi DO awal rendah dalam larutan uji.