Aplikasi Nanosheet Boron Nitrida Terkelupas Secara Kimia yang Didoping dengan Co untuk Menghilangkan Polutan Organik dengan Cepat dari Air Tekstil
Abstrak
Bahan berlapis dua dimensi yang didoping dengan logam transisi menunjukkan peningkatan magnetisasi dan peningkatan stabilitas katalitik selama pengolahan air yang mengarah ke aplikasi lingkungan potensial di beberapa sektor industri. Dalam penelitian ini, kobalt (Co)-doped boron nitrida nanosheets (BN-NS) dieksplorasi untuk aplikasi semacam itu. Proses pengelupasan kimia digunakan untuk pengelupasan BN-NS dan rute hidrotermal diadopsi untuk memasukkan dopan Co dalam berbagai konsentrasi (misalnya, 2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%). Studi difraksi sinar-X (XRD) menunjukkan bahwa kristalinitas meningkat setelah doping dengan pembentukan fase heksagonal dari bahan yang disintesis. Difraksi elektron area terpilih (SAED) mengkonfirmasi peningkatan kristalinitas, yang menguatkan hasil XRD. Jarak antar lapisan dievaluasi melalui mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM) yang dilengkapi dengan perangkat lunak mikrograf digital Gatan. Analisis komposisi dan gugus fungsi masing-masing dilakukan dengan spektroskopi energi dispersif sinar-X (EDS) dan inframerah transformasi Fourier (FTIR). Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM) dan HR-TEM digunakan untuk menyelidiki morfologi permukaan sampel yang disiapkan. Mode ikatan dalam sampel diidentifikasi melalui analisis Raman. Sifat optik diperiksa menggunakan spektroskopi UV-vis. Spektrum photoluminescence diperoleh untuk memperkirakan pemisahan dan rekombinasi excitons. Sifat magnetik dipelajari dengan cara loop histeresis yang diperoleh menggunakan pengukuran VSM. Pewarna metilen biru didegradasi dengan inang yang disiapkan dan nanosheet yang didoping digunakan sebagai katalis dan diselidiki melalui spektrum serapan mulai dari 250 hingga 800 nm. Hasil eksperimen dari penelitian ini menunjukkan bahwa BN-NS yang didoping-Co menunjukkan sifat magnetik yang ditingkatkan dan dapat digunakan untuk mendegradasi zat warna yang ada sebagai limbah dalam air limbah industri.
Pengantar
Baru-baru ini, boron nitrida (BN), bahan berlapis dua dimensi yang menjanjikan mirip dengan graphene, tungsten disulfide (WS2 ), dan molibdenum disulfida (MoS2 ), telah menarik banyak perhatian. Boron nitrida biasanya ada dalam bentuk kristalografi yang paling stabil, yaitu, boron nitrida heksagonal (h-BN). Selain itu, ditemukan sebagai boron nitrida kubik (c-BN) yang secara struktural analog dengan berlian, boron nitrida rhombohedral (r-BN), dan fase amorf [1]. Jarak antar lapisan antara lapisan h-BN adalah 3,30~3,34 Å sedangkan grafit menunjukkan jarak 3,33~3,35 Å. Selain itu, h-BN merupakan isolator yang baik yang memiliki celah pita ~ 5.9 eV [2, 3]. Struktur kristal h-BN menyerupai graphene sehingga kadang-kadang disebut sebagai "graphene putih" dan ditetapkan sebagai "bahan kembar" graphene. Menariknya, atom boron dan nitrogen terikat secara kovalen dan tersusun dalam pola seperti sarang lebah [2, 4]. Selain itu, h-BN menawarkan sifat fisik, kimia, termal, listrik, optik, dan dielektrik yang sangat baik, yang membuatnya menarik untuk digunakan dalam berbagai aplikasi [5,6,7]. Studi telah dilakukan untuk mengubah karakteristik isolasi BN melalui penyetelan celah pita dan sifat struktural [3, 8]. Boron nitrida nanosheets (BN-NS) awalnya dibuat pada tahun 2004 dengan pengelupasan bahan massal karena tidak tersedia di alam. Sampai saat ini, berbagai metode telah diadopsi untuk menghasilkan nanosheet termasuk pengelupasan kimia [9], penggilingan bola [10], iradiasi berkas elektron [11], dan teknik uap kimia [12]. Berbagai rute pengelupasan kulit lainnya juga dijelaskan dalam literatur [13,14,15].
Aplikasi potensial BN-NS termasuk penggunaan dalam perangkat optoelektronik dan perangkat manajemen termal. Hal ini sangat cocok untuk digunakan sebagai fotokatalis dan katalis dalam pengolahan air limbah [3, 16, 17]. Air memainkan peran penting dalam kelangsungan hidup dan perkembangan semua spesies hidup di bumi termasuk manusia. Pasokan air berkualitas baik yang memadai di semua musim berdampak besar pada lingkungan dan pertumbuhan ekonomi suatu wilayah [18, 19]. Selain itu, industri makanan di seluruh dunia sangat bergantung pada pasokan air bersih yang konsisten [20]. Ketersediaan air bersih dan air tawar dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain tingginya laju pertumbuhan penduduk. Diperkirakan sekitar 2,7 miliar orang di berbagai negara menghadapi kelangkaan air bersih [18, 21].
Menurut literatur, sejumlah besar pewarna termasuk congo red, Martius yellow, methyl orange, methyl red, dan methyl blue digunakan di berbagai sektor industri seperti kulit, konstruksi, kertas, manufaktur logam, dan percetakan. ,24]. Ion logam berbahaya (Pb, Cr, Hg, Cu, dll.) yang dihasilkan karena penggunaan pewarna ini menyebabkan efek buruk pada kehidupan manusia dan air. Paparan pewarna yang tidak diobati dan ion logam beracun dapat menyebabkan penyakit serius seperti anemia, kanker, ensefalopati, dan melemahnya sistem kekebalan tubuh [20, 25]. Selain itu, bahan organik alami yang berlebihan dapat meningkatkan tingkat toksisitas dan berdampak buruk pada sistem pemurnian air [26].
Garam dan kotoran kecil lainnya dapat dihilangkan dari air melalui teknik yang tersedia secara luas; namun, penghilangan pewarna berbahaya dan ion logam beracun lebih menantang. Berbagai rute telah digunakan untuk memurnikan air dari kontaminan ini termasuk fotokatalisis [16], bantuan magnetik [27], penghilangan minyak [28], dan filtrasi dan koagulasi [29]. Di antara teknik-teknik ini, katalisis memegang tempat penting karena dianggap ramah lingkungan, hemat biaya, dan hemat energi. Selain itu, luas permukaan yang tinggi dan sifat kimia dan fisik yang unggul dari BN-NS membuatnya cocok untuk digunakan sebagai katalis dalam pengolahan air limbah [17].
Dalam penelitian ini, sifat magnetik sampel yang disintesis juga diselidiki karena dampak potensialnya pada proses pengolahan air limbah. Secara konvensional, logam transisi yang mengandung elektron dalam kulit 3d atau 4f bertanggung jawab atas asal mula magnetisme. Literatur menunjukkan bahwa magnetisasi spontan juga diamati pada elemen cahaya bebas logam yang mengandung elektron di s dan p orbit [30, 31]. Selanjutnya, asal feromagnetisme dalam semikonduktor magnetik encer atau oksida (DMS(O)s) sangat diperdebatkan [32, 33]. Analisis teoritis menunjukkan bahwa cacat periodik pada bahan nano berbasis graphene (2D), khususnya h-BN, menginduksi pemesanan magnetik (ferromagnetisme, ferrimagnetisme, dan anti-ferromagnetisme) [34]. Selain itu, cacat pada h-BN ini bertindak baik untuk mengubah perilaku diamagnetiknya ke arah feromagnetisme [35]. Logam transisi (misalnya, Ni, Fe, Cu, Zn, dan Co) menunjukkan sifat magnetik yang memuaskan; oleh karena itu, doping spesies ini dalam lembaran nano BN memberikan hasil yang menjanjikan. Dengan demikian, doping logam transisi (Co) dalam h-BN menimbulkan cacat ekstrinsik yang bersama-sama dengan cacat intrinsik berfungsi untuk meningkatkan sifat magnetiknya [36].
Dalam penelitian ini, teknik hidrotermal sederhana digunakan untuk menyiapkan nanosheet BN yang didoping bersama dengan aktivitas katalitik dan perilaku magnetik yang ditingkatkan. Pengaruh doping diselidiki dengan mengevaluasi sifat struktural, morfologi, optik, dan magnetik BN-NS.
Metode
Studi saat ini bertujuan untuk mensintesis berbagai konsentrasi Co menjadi h-BN nanosheets melalui rute hidrotermal untuk menghilangkan polutan organik dari air tekstil dan perilaku magnetik.
Materi
Bubuk BN curah (98%), dimetilformamida (DMF) metilen biru (MB), dan natrium borohidrida (NaBH4 ) dibeli dari Sigma-Aldrich Co. (Jerman). Cobalt (II) nitrat hexahydrate (CoH12 N2 O12 ) (98%) dibeli dari bahan kimia VWR (Inggris). Semua bahan kimia yang diperoleh untuk penelitian ini digunakan tanpa pemurnian tambahan.
Pengelupasan dan Sintesis BN Co-Doped
Rute pengelupasan kimia digunakan untuk mensintesis BN-NS. Pertama, 5 g bubuk BN curah dilarutkan dalam 200 mL DMF dan diaduk selama 20 menit untuk mendapatkan larutan stok. Ini diikuti oleh sonikasi yang kuat selama 12 jam. Setelah sonikasi, lembaran BN mengambang dikumpulkan dari larutan stok. Doping dilakukan melalui pendekatan hidrotermal. Dalam metode ini, kobalt(II) nitrat heksahidrat digunakan sebagai dopan Co. Berbagai rasio berat kobalt (II) nitrat heksahidrat (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) didoping pada nanosheet BN yang dikumpulkan. Setelah itu, BN-NS dan kobalt (II) nitrat heksahidrat terpilih dengan berbagai perbandingan (1:0.25, 1:0.05, 1:0.075, 1:0.1) didispersikan dalam 100 mL air deionisasi dengan pengadukan terus menerus selama 15 min. Suspensi dituangkan ke dalam autoclave stainless steel, ditempatkan dalam oven vakum pada 200 °C selama 10 h seperti yang disajikan secara skema pada Gambar. 1. Akhirnya, autoclave dikeluarkan dari oven dan didinginkan pada suhu kamar. Prekursor dikeringkan di atas hot plate pada suhu 100–120 °C.
Ilustrasi skema pengelupasan dan sintesis Co-doped BN-NS
Aktivitas Katalitik
Aktivitas katalitik BN-NS murni dan Co-doped diukur untuk menentukan derajat degradasi zat warna. Ini dilakukan dengan memantau degradasi MB dalam larutan berair NaBH4 yang berfungsi sebagai reduktor. Baik MB maupun NaBH4 baru disiapkan untuk memastikan integritas data eksperimen. Biasanya, MB adalah indikator redoks yang paling umum digunakan dalam kimia analitik untuk mengatur aktivitas katalitik selama uji degradasi pewarna. Selain itu, MB tetap biru dalam bentuk teroksidasi sedangkan, tampak netral ketika dikurangi [37]. Dua percobaan katalitik dilakukan, yang pertama dengan 500 μL NaBH4 dan katalis 2 mg dan yang kedua dengan 1000 μL NaBH4 dan katalis 4 mg. Secara umum, konsentrasi katalis yang digunakan dalam suatu eksperimen merupakan faktor paling signifikan yang mempengaruhi reaksi kimia. Katalis menurunkan energi aktivasi (Ea ) dari suatu reaksi sehingga berfungsi untuk meningkatkan stabilitas dan laju reaksinya. MB terutama pewarna beracun yang berbahaya bagi lingkungan. Itu dapat dikurangi dengan NaBH4 yang mengubahnya menjadi spesies yang tidak beracun dan tidak berwarna. Namun, proses reduksi relatif lambat dengan adanya NaBH4 . BN-NS undoped dan Co-doped menunjukkan luas permukaan yang besar yang bila dikombinasikan dengan peningkatan reaktivitas reaksi berfungsi untuk mempercepat efisiensi reduksi pewarna. Penggabungan katalis ke dalam MB dengan adanya zat pereduksi menyebabkan adsorpsi. Selain itu, lapisan reduktor yang tersebar di atas katalis juga dapat mempercepat adsorpsi karena reaksi oksidasi-reduksi antara katalis dan MB. Reaksi reduksi oleh katalis terjadi dengan mentransfer e
−
dari konten donatur BH4
−
(mis., dari NaBH4 ) ke akseptor isi MB difasilitasi oleh BN-NS murni dan doping. Hal ini menyebabkan penurunan Ea yang berfungsi untuk menstabilkan reaksi. Aktivitas katalitik dievaluasi dengan mengambil 500 atau 1000 μL NaBH4 diencerkan dalam 10 mL larutan MB dalam sel kuarsa. Setelah itu, katalis (2 atau 4 mg) ditambahkan untuk menyelidiki degradasi MB. Degradasi zat warna dievaluasi secara spektrofotometri seperti yang diilustrasikan secara skematis pada Gambar 2. Selanjutnya, spektrum serapan mulai dari 200 hingga 800 nm yang diperoleh dengan MB digunakan sebagai referensi pada suhu kamar. Degradasi zat warna dengan adanya katalis murni dan yang didoping mengkonfirmasi peningkatan aktivitas katalitik, sedangkan NaBH4 gagal menurunkan MB.
Ilustrasi skema pengaturan eksperimental yang digunakan untuk mengevaluasi aktivitas katalitik
Karakterisasi Material
Sampel yang telah disiapkan dianalisis menggunakan berbagai teknik. Konstitusi fasa dan derajat kristalinitas dievaluasi menggunakan PAN analitis X-pert PRO difraktometer sinar-X (XRD) dengan radiasi Cu-Kα (λ =1,5418 Å) dan 2θ mulai dari 5 ° hingga 80 °. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan menggunakan spektrometer Perkin Elmer untuk mengkonfirmasi keberadaan gugus fungsi. Spektrum emisi diperoleh dari spektroskop photoluminescence (PL) menggunakan spektrofluorometer JASCO FP-8200. Spektrum Raman diperoleh dengan mikroskop Raman DXR (Thermo ilmiah) yang memiliki Laser dioda pada 532 nm. Pemeriksaan morfologi dilakukan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) JSM-6460LV dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM) Philips CM30 dan JEOL JEM 2100F. Sifat optik direkam melalui spektrofotometer UV-terlihat-Genesys 10S. Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) digunakan untuk melacak komposisi unsur. Sifat magnetik diukur dengan magnetometer sampel bergetar (VSM).
Hasil dan Diskusi
XRD digunakan untuk menganalisis fasa dan struktur kristal dari sampel yang disiapkan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3a. Puncak difraksi diamati pada 26,8°, 41,6°, 43,52°, dan 50,2° yang masing-masing diindeks sebagai bidang (002), (100), (101), dan (102). Refleksi yang diamati mengkonfirmasi adanya fase heksagonal BN dan sesuai dengan JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Perlu dicatat bahwa karakteristik intensitas puncak dari sampel murni ke sampel yang didoping meningkat, yang menunjukkan bahwa kristalinitas ditingkatkan dengan penggabungan Co. Selain itu, pola XRD menunjukkan pergeseran puncak menuju sudut difraksi yang lebih tinggi, yang dikaitkan dengan adanya dopan dalam spesimen [40]. Jarak antar lapisan d002 dihitung dengan bantuan hukum Bragg (nλ = 2dsinθ) adalah ~ 0,34 nm, yang konsisten dengan hasil HR-TEM [41].
a Pola XRD murni dan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) dari Co-doped BN-NS. b Spektrum FTIR
FTIR dilakukan untuk mengidentifikasi sidik jari IR dalam kontrol dan nanosheet yang didoping, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3d. Spektrum diamati pada ~ 808, 1020, 1160, 1370, 1672, dan 3187 cm
−1
. Dua puncak inti diidentifikasi pada 808 dan 1370 cm
−1
yang dianggap terkait dengan B-N-B (getaran lentur) dan B-N (getaran peregangan). Puncak terakhir dikaitkan dengan getaran lentur A2u mode (out-plane) sedangkan puncak sebelumnya bertepatan dengan getaran regangan E1u mode (dalam pesawat) [42, 43]. Selanjutnya, puncak pada 1020, 1160, dan 1672 cm
−1
konsisten dengan ikatan C-O, B-N-O, dan C=O, masing-masing [44]. Puncak lainnya berpusat pada 3187 cm
−1
sesuai dengan ikatan B–OH [45, 46].
Identifikasi sidik jari struktural dilakukan dengan spektrum Raman, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4a. Spektrum menunjukkan karakteristik pita Raman yang berpusat di 1370 cm
−1
yang dianggap berasal dari E2g mode fonon aktif h-BN dan berkorelasi dengan puncak G graphene [47]. BN-NS terkelupas menunjukkan puncak kecil pada 550 dan 880 cm
−1
yang dikaitkan dengan latar belakang neon [48]. Selain itu, dilaporkan dalam literatur bahwa h-BN mono-kristal berkualitas tinggi menunjukkan E2g mode fonon aktif pada 1367 cm
−1
[40]. Dalam penelitian ini, pergeseran merah E2g mode fonon aktif terjadi sebagai akibat dari interaksi samar antara interlayer BN. Selanjutnya, spektrum Raman yang bergeser merah menunjukkan adanya beberapa lembar nano berlapis, yang menyebabkan sedikit pemanjangan dalam ikatan boron dan nitrogen (B-N) [49, 50]. Akibatnya, perpanjangan ikatan B-N ini disebabkan oleh pelunakan fonon dan sangat sesuai dengan hasil yang dikutip sebelumnya. Selain itu, doping unsur, urutan lapisan bertumpuk, ukuran domain, dan porositas dapat menyebabkan pelebaran dan pergeseran puncak [51].
a Spektrum kontrol Raman dan BN-NS yang didoping. b Spektrum PL
Spektroskopi PL dilakukan untuk memahami migrasi eksitonik dan rekombinasi pasangan elektron-lubang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Spektrum diamati dengan panjang gelombang eksitasi dan emisi λmantan =220 nm dan λem =310 nm, masing-masing. Pita karakteristik yang diamati pada ~ 322–342 nm sesuai dengan transisi lubang elektron karena tingkat pengotor [52, 53]. Patut dicatat bahwa pita eksitonik meningkat tetapi tidak menunjukkan pergeseran panjang gelombang pada doping. Puncak karakteristik pada ~ 446 nm dan ~ 471 nm menunjukkan bahwa intensitas PL menunjukkan peningkatan tajam dari sampel murni ke sampel yang didoping. Sementara itu, 10 wt% Co-doped BN-NS memiliki intensitas PL maksimum di antara semua sampel yang menunjukkan rekombinasi lubang elektron maksimum. Intensitas secara bertahap menurun karena konsentrasi doping yang menunjukkan pemisahan muatan yang dihasilkan foto [54]. Spektrum emisi mengungkapkan perilaku PL yang bergantung pada eksitasi yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan sebelumnya [55].
Spektroskopi UV-vis digunakan untuk menyelidiki spektrum serapan dan celah pita produk yang disiapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Puncak penyerapan karakteristik dari BN-NS inang berada pada ambang ~ 205 nm di wilayah ultraviolet dalam (DUV) mengacu pada celah pita ~ 5.7 eV seperti yang disajikan pada Gambar. 5b. Perlu disebutkan bahwa BN massal menginduksi celah pita 5.2–5.4 eV sementara lapisan tunggal memperlihatkan celah pita ~ 6.07 eV yang bertepatan dengan perhitungan teoretis (mis., 6.0 eV). Dalam kasus bi/multilayer, nilai celah pita berkisar antara 5,56 hingga 5,92 eV [43]. Menjadi konsisten dengan celah pita yang luas pada Gambar. 5b dan perilaku pendaran DUV pada Gambar. 5a, lembaran nano h-BN dapat dianggap sebagai kandidat baru untuk berbagai aplikasi dalam emisi foton, penguat UV, dan detektor DUV [56] . Selanjutnya, tepi serapan digeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang dengan meningkatnya konsentrasi doping (2,5 hingga 10 wt%) yang menunjukkan pergeseran merah (Gbr. 5b) [57].
a Spektrum UV-vis BN-NS telanjang dan Co-doped. b Tauc-plot untuk celah pita
Morfologi dan komposisi kontrol dan BN-NS yang didoping dianalisis dengan FE-SEM seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Mikrograf menunjukkan bahwa partikel yang diperoleh memiliki struktur nanosheet agregat dengan permukaan halus dan tepi melengkung. Gambar 6 b–d menunjukkan lembaran nano BN yang dilapisi kobalt. Terjadi aglomerasi pada semua sampel. Mikrograf FE-SEM mengungkapkan bahwa lembaran nano dilipat dengan struktur berlapis yang kompak dan memiliki bentuk dan dimensi lateral yang tidak seragam. Konfigurasi dan dimensi nanosheet merupakan konsekuensi dari pengelupasan bubuk BN massal. Morfologi produk yang diperoleh dikonfirmasi lebih lanjut dengan analisis HR-TEM. Dari mikrograf HR-TEM yang ditunjukkan pada Gambar. 6a-d, morfologi seperti lembaran dari produk yang disiapkan diamati. Selain itu, permukaan kasar nanosheet yang kompak diamati dengan fitur yang sedikit berpori yang menghasilkan peningkatan aktivitas katalitik. Bintik-bintik bulat gelap yang diamati menunjukkan keberhasilan penggabungan doping. Penumpukan menit dan tepi melengkung nanosheets dicatat, seperti yang ditunjukkan oleh analisis SEM pada Gambar. 6a-d. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa analisis FE-SEM dan HR-TEM mengarah pada keberhasilan pengelupasan nanosheet BN dari BN massal.
a , a' Gambar FE-SEM dan HR-TEM dari BN-NS murni. b –d FE-SEM dari (2,5, 7,5, dan 10 wt%) yang didoping BN-NS. b' –d’ HR-TEM dari (2,5, 7,5, dan 10 wt%) yang didoping BN-NS (inset 50 nm)
Pengukuran jarak antar lapisan sampel telanjang dan yang didoping dilakukan dengan IFFT (lihat inset) yang diinduksi dengan menggunakan gambar FFT HR-TEM yang diperiksa melalui perangkat lunak mikrograf digital Gatan untuk membedakan pinggiran kisi. Diamati d -nilai spasi untuk BN-NS murni dan 2,5 wt% yang didoping adalah 0,34 nm dan 0,21 nm yang sesuai dengan d002 dan d100 pesawat, masing-masing, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 7a, c. Temuan ini sesuai dengan analisis XRD dan data standar [58]. Selanjutnya, profil SAED ditunjukkan pada Gambar. 7b, d yang menandakan cincin difraksi titik terang. Cincin difraksi ini diindeks berasal dari bidang (002), (100), (101), dan (102) yang sesuai dengan hasil XRD. Pola SAED menunjukkan bahwa semua cincin milik BN heksagonal dan memvalidasi sifat kristal nanosheet yang sangat tinggi [58].
a , cd -analisis jarak host dan BN-NS yang didoping 2,5 wt%. b , d Pola kontrol SAED dan BN-NS yang didoping 2,5 wt%
Komposisi elemen permukaan dari BN-NS yang didoping diselidiki melalui analisis EDS seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a-d, masing-masing. Mikrograf yang diperoleh menunjukkan puncak kuat boron (B) dan nitrogen (N) sedangkan sinyal minor untuk kobalt (Co) juga diamati pada spektrum EDS (Gbr. 8a). Dua puncak moderat Co pada 0,5 dan 7 keV diamati pada sampel yang didoping bersama, yang mengkonfirmasi keberhasilan penggabungan dopan. Selain itu, sinyal karbon di bawah 1 keV berasal dari tab karbon yang digunakan untuk menahan sampel selama analisis dan/atau karena penghitungan latar belakang yang tinggi pada detektor SEM-EDS. Jika tidak, tidak ada karbon dalam sampel [59].
a –d Analisis EDS dari berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) dari BN-NS yang didoping bersama
Sifat magnetik BN-NS Co-doped dievaluasi dengan kurva M-H menggunakan pengukuran VSM. Dalam grafik yang ditunjukkan pada Gambar. 9, penampilan sigmoidal dari loop M–H menunjukkan bahwa BN-NS yang didoping-Co dicirikan oleh momen magnetik. Studi literatur mengungkapkan bahwa BN murni menunjukkan perilaku diamagnetik dengan kerentanan (χ ≈ 8.6 × 10
−7
emu/g) [31, 35]. Sebaliknya, BN-NS yang didoping bersama menunjukkan feromagnetisme suhu kamar (RT-FM) yang dihasilkan dari interaksi pertukaran antara Co
+2
ion dan dipol tidak berpasangan yang cenderung sejajar di sepanjang medan magnet yang diterapkan. Dapat dilihat bahwa loop histeresis tampak lebih tepat serta konsentrasi doping meningkat, yang menegaskan kemurnian dan keberhasilan penggabungan dopan. Koersivitas, remanensi, dan magnetisasi saturasi dari BN-NS yang didoping-komodifikasi memprediksi kelembutan dan kekerasan bahan magnetik. Co-doping di BN-NS menghasilkan pembentukan bahan magnetik lunak. Nilai remanensi (Mr ), magnetisasi saturasi (Ms ), dan koersivitas (HC ) untuk berbagai konsentrasi doping (2,5, 5, dan 7,5 wt%) dihitung dengan kurva M–H seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Kurva M–H dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, dan 7,5 wt%) dari BN-NS yang didoping-komodifikasi
Aktivitas katalitik BN-NS murni dan Co-doped yang bekerja sebagai katalis dinyatakan dengan degradasi MB dan diselidiki melalui spektrum serapan yang dipantau dengan spektrofotometer UV-vis. Gambar 10 a–h menunjukkan hasil aktivitas katalitik menggunakan 500 μL NaBH4 dan katalis 2 mg. Dari Gambar 10a terlihat bahwa NaBH4 gagal mendegradasi MB dengan sukses, karena hanya mendegradasi 8% pewarna setelah 40 min. Penggabungan BN-NS murni ke dalam MB dengan adanya NaBH4 menghasilkan degradasi 45% dalam 30 menit (Gbr. 10b). Selain itu, kemampuan degradasi BN-NS yang didoping-Co (lihat Gambar 10b-e) secara signifikan lebih tinggi. Berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) katalis yang didoping menunjukkan degradasi 58, 77, 90, dan 97% masing-masing dalam 13, 8, 3, dan 2 menit. Menariknya, 10 wt% nanosheet yang didoping menghasilkan aktivitas katalitik yang unggul dan mendegradasi 97% pewarna hanya dalam 2 min yang lebih tinggi dari (7,5, 5, dan 2,5 wt%) konsentrasi yang didoping dan intensitas puncak karakteristik diamati pada ~ 290 dan 665 nm. Peningkatan degradasi zat warna ini mungkin karena peningkatan adsorpsi yang tersedia serta situs katalitik pada katalis. Dalam mekanisme ini, keadaan 3d Co berinteraksi dengan baik dengan keadaan 2p dari situs B atau N yang tersedia di BN-NS. Interaksi yang kuat antara 3d Co dan 2p B atau N ini menyebabkan peningkatan aktivitas katalitik dan menghasilkan degradasi pewarna yang cepat, yang mendukung hasil kami [60].
a Spektrum UV-vis bergantung waktu dari NaBH4 . b BN-NS murni. c –f Berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) dari Co-doped BN-NS. g Plot Ct /Co versus waktu. h Perbandingan persentase degradasi pada berbagai konsentrasi BN-NS
Eksperimen katalitik diulangi menggunakan 1000 μL NaBH4 dan 4 mg katalis. Dengan meningkatkan konsentrasi katalis, reaksi berlangsung lebih cepat dibandingkan dengan percobaan yang disebutkan sebelumnya. Pengamatan ini sangat sesuai dengan literatur. Dalam percobaan ini, NaBH4 masih gagal mendegradasi MB sedangkan BN-NS murni dan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) katalis yang didoping mendegradasi 51, 65, 82, 95, dan 99% pada 27, 10, 6, 2, dan 1 min, masing-masing, sebagaimana dievaluasi dengan spektrofotometer. Hasil eksperimen yang mengukur aktivitas katalitik diilustrasikan pada Gambar 11a, b.
a Plot Ct /Co versus waktu menggunakan NaBH4 =1000 μL dan katalis =4 mg. b Perbandingan persentase degradasi pada berbagai konsentrasi. c Plot Ct /Co versus waktu untuk penggunaan kembali 10 wt% BN-NS yang didoping bersama. d Plot Ct /Co versus waktu untuk dapat digunakan kembali 10 wt% BN-NS yang didoping bersama
Menurut hukum Beer-Lambert, rasio konsentrasi MB pada waktu tertentu (Ct ) dan konsentrasi awal MB (Co ), disebut sebagai Ct /Co , dapat diperkirakan dengan rasio absorbansi paralel (At /Ao ). Gambar 10 f dan 11 a menggambarkan perjalanan waktu Ct /Co digunakan untuk semua katalis sedangkan Gambar 10 g dan 11 b menunjukkan persentase degradasi semua katalis. Persentase degradasi dievaluasi dengan Persamaan. 1.
Selanjutnya, nilai pH merupakan variabel operasional penting dalam pengobatan degradasi pewarna. Juga, pH memiliki peran penting dalam pengolahan air limbah tekstil dan dalam mekanisme reaksi yang berkontribusi terhadap degradasi pewarna. Perlu disebutkan bahwa persentase degradasi tergantung pada nilai pH sampai batas tertentu. Dalam percobaan ini, nilai pH ditetapkan pada 8,5. Secara signifikan, degradasi pewarna karena aktivitas katalitik menunjukkan hasil terbaik dalam lingkungan basa yang mendukung temuan eksperimental kami. Beberapa laporan mengungkapkan bahwa degradasi pewarna tertinggi oleh aktivitas katalitik diamati dalam lingkungan basa [61].
Stabilitas dan reusabilitas (kemampuan daur ulang) katalis merupakan karakteristik penting untuk mengevaluasi katalis yang digunakan untuk degradasi zat warna. Dalam penelitian ini, stabilitas katalis dievaluasi dengan membiarkan percobaan yang dilakukan tetap selama 48 h. Setelah 48 h, hasilnya sama seperti yang dilakukan pada awalnya, yaitu degradasi masih dalam kondisi sebelumnya. Penggunaan kembali katalis diselidiki dengan mendaur ulang 10 wt% katalis Co-doped yang berfungsi sebagai katalis unggul dalam penelitian ini selama tiga siklus. Spektrum yang diekstraksi dari aktivitas katalitik daur ulang dievaluasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11c, d.
Selain itu, beban katalis sebelum dan setelah tiga kali proses daur ulang diperiksa. Dalam aktivitas pertama dan kedua, kehilangan berat katalis yang kecil mulai dari 2 mg dan 4mg (sebelum) hingga 1,7 mg dan 3,6 mg (setelah tiga siklus) dideteksi dengan mempertimbangkan ~ 5% penyimpangan penginderaan dalam percobaan ini. Temuan ini menunjukkan bahwa BN-NS yang didoping bersama menunjukkan stabilitas yang luar biasa saat berfungsi sebagai katalis. Terakhir, penelitian ini menunjukkan bahwa BN-NS yang didoping bersama menunjukkan perilaku katalitik yang efisien dan luar biasa terhadap degradasi pewarna dalam pengolahan air limbah industri.
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, nanosheet boron nitrida (BN-NS) disintesis melalui pengelupasan kimia serbuk BN curah. Various concentrations (2.5, 5, 7.5, and 10 wt%) of Co were successfully incorporated via the hydrothermal approach. As prepared, pure and doped BN-NS were characterized by a variety of techniques to evaluate the effect of doping. XRD patterns confirm the presence of the hexagonal phase of BN with improved crystallinity from pure to doped samples. Furthermore, the peak shift indicates the successful incorporation of doping. FTIR spectra indicate sp
2
bonded B–N stretching vibrations consistent with E1g mode (in-plane) as well as B–N–B bending vibration associated with A2u mode (out plane). Raman spectroscopy affirmed E2g active phonon mode of h-BN while photoluminescence spectroscopy revealed emission spectra that were attributed to exciton migration and recombination. Host and Co-doped BN-NS displayed absorbance in the DUV region along with a redshift that causes a decrease in bandgap energy suggesting it to be a suitable material for degradation of dye from industrial wastewater and organic pollutants. Sheet-like morphology of obtained product was studied by means of FE-SEM and HR-TEM. Slightly porous features result in high catalytic activity due to available adsorption sites. EDS analysis showed the purity of the sample and confirmed the incorporation of dopant in nanosheets. The magnetic behavior of Co-doped BN-NS was investigated through VSM measurements that display strong ferromagnetic behavior while pristine BN-NS show diamagnetic behavior. Significantly, the sigmoidal appearance of the hysteresis loop becomes more precise from lower to a higher concentration of Co-doped BN-NS, which point toward the formation of a soft magnetic material. Lastly, pure and Co-doped BN-NS was utilized as a catalyst in dye degradation. The catalytic activity provides efficient results for most samples but 10 wt% Co-doped catalyst showed significant outcome with the highest dye degradation (99%) in 1 min, making it a novel catalyst in this study. Extracted results from pure and doped BN-NS can be used as a guideline to modify and enhance magnetic properties in order to improve reliability in modern optoelectronic technology. Finally, the synthesized material has the potential to be used as a stable, reusable, and superior nano-catalyst to replace conventional wastewater treatment methods.
