Lembar Nanon Nitrid Bor Doped Co: Penghapusan Cepat dan Ramah Lingkungan Pencemar Air Tekstil

Pendahuluan

Terkait, nitrid bor (BN), material berlapis dua dimensi yang menjanjikan yang mirip dengan grafen, sulfida tungsten (WS₂), dan sulfida molibdena (MoS₂), telah menarik perhatian yang cukup besar. Nitrid bor biasanya ada dalam bentuk kristalografis paling stabilnya, yaitu nitrid bor heksagonal (h-BN). Selain itu, ditemukan sebagai nitrid bor kubik (c-BN) yang secara struktural analog dengan intan, nitrid bor rombohedral (r-BN), dan fase amorf [1]. Jarak antar lapis antara lapis h-BN adalah 3,30~3,34 Å sementara grafit menunjukkan jarak 3,33~3,35 Å. Selain itu, h-BN adalah isolator yang baik yang memiliki jarak energi sekitar 5,9 eV [2, 3]. Struktur kristal h-BN mirip dengan grafin karena alasan itu terkadang disebut sebagai "grafin putih" dan ditetapkan sebagai "material kembar grafin." Menariknya, atom bor dan nitrogen terikatan kovalen dan tersusun dalam pola madu [2, 4]. Selain itu, h-BN menawarkan properti fisik, kimia, termal, listrik, optik, dan dielektrik yang unggul, yang membuatnya menarik untuk digunakan dalam berbagai aplikasi [5,6,7]. Studi telah dilakukan untuk mengubah karakteristik isolasi BN melalui penyesuaian jarak energi dan properti struktural [3, 8]. Lembar nanon nitrid bor (BN-NS) pertama kali disiapkan pada tahun 2004 dengan mengeksfoliasikan material bulk karena tidak tersedia secara alami. Sampai saat ini, berbagai metode telah diadopsi untuk menghasilkan lembar nanon termasuk eksfoliasi kimia [9], ball milling [10], iradiasi sinar elektron [11], dan teknik uap kimia [12]. Rute eksfoliasi lainnya juga dijelaskan dalam literatur [13,14,15].

Aplikasi potensial BN-NS meliputi penggunaan dalam perangkat optoelektronik dan perangkat manajemen termal. Ini sangat cocok untuk digunakan sebagai fotokatalis dan katalis dalam pengolahan air limbah [3, 16, 17]. Air memainkan peran vital dalam kelangsungan hidup dan perkembangan semua spesies hidup di bumi termasuk umankind. Pasokan air berkualitas baik yang memadai selama semua musim memiliki dampak besar pada lingkungan dan pertumbuhan ekonomi suatu daerah [18, 19]. Selain itu, industri pangan di seluruh dunia sangat bergantung pada pasokan air bersih yang konsisten [20]. Ketersediaan air tawar dan segar dipengaruhi oleh banyak faktor termasuk laju pertumbuhan populasi yang tinggi. Diperkirakan sekitar 2,7 miliar orang di banyak negara menghadapi kekurangan air bersih [18, 21].

Menurut literatur, sejumlah besar warna termasuk congo merah, kuning Martius, metil oranye, metil merah, dan metil biru digunakan dalam berbagai sektor industri seperti kulit, konstruksi, kertas, manufaktur logam, dan cetak [22,23,24]. Ion logam beracun (Pb, Cr, Hg, Cu, dll.) yang dihasilkan akibat penggunaan warna ini menyebabkan efek merugikan pada kehidupan manusia dan akuatik. Paparan terhadap warna yang tidak dirawat dan ion logam beracun dapat mengakibatkan penyakit serius seperti anemia, kanker, encefalopati, dan penurunan sistem kekebalan tubuh [20, 25]. Selain itu, organik alami berlebih dapat meningkatkan tingkat toksisitas dan secara buruk mempengaruhi sistem pemurnian air [26].

Garam dan kotoran minor lainnya dapat dikeluarkan dari air dengan teknik yang tersedia luas; namun, penghapusan warna beracun dan ion logam beracun lebih tantang. Berbagai rute telah digunakan untuk memurnikan air dari kontaminan ini termasuk fotokatalisis [16], bantuan magnetik [27], pengeluaran minyak [28], dan filtrasi serta koagulasi [29]. Di antara teknik ini, katalisis menempatkan posisi penting karena dianggap ramah lingkungan, hemat biaya, dan efisien energi. Selain itu, luas permukaan tinggi dan properti kimia dan fisik yang unggul dari BN-NS membuatnya cocok untuk digunakan sebagai katalis dalam pengolahan air limbah [17].

Dalam studi ini, properti magnetis sampel yang disintesis juga diselidiki karena dampaknya potensial pada proses pengolahan air limbah. Secara konvensional, logam transisi yang mengandung elektron dalam kulit 3d atau 4f bertanggung jawab atas asal magnetisme. Literatur menunjukkan bahwa magnetisasi spontan juga diamati dalam elemen ringan bebas logam yang mengandung elektron dalam orbital s dan p [30, 31]. Selain itu, asal feromagnetisme dalam semiconductorn magnetis terlarut atau oksida (DMS(O)s) sangat dibatalkan [32, 33]. Analisis teoretis menunjukkan bahwa defect periodik dalam nanomaterial berbasis grafin (2D), terutama h-BN, menginduksi urutan magnetis (feromagnetisme, feriomagnetisme, dan antiferomagnetisme) [34]. Selain itu, defect ini dalam h-BN berperan mengubah perilaku diamagnetiknya menjadi feromagnetisme [35]. Logam transisi (misalnya, Ni, Fe, Cu, Zn, dan Co) menunjukkan properti magnetis yang memuaskan; oleh karena itu, pemadatan spesies ini dalam lembar nanon BN berjanji hasil yang menjanjikan. Sesuai dengan itu, pemadatan logam transisi (Co) dalam h-BN menghasilkan defect ekstrinsik yang bersama dengan defect intrinsik berfungsi untuk meningkatkan properti magnetisnya [36].

Dalam studi ini, teknik hidrotermal sederhana digunakan untuk menyiapkan lembar nanon BN dipadatkan Co dengan aktivitas katalitik dan perilaku magnetis yang ditingkatkan. Efek pemadatan diselidiki dengan mengevaluasi properti struktural, morfologis, optik, dan magnetis BN-NS.

Metode

Studi saat ini bertujuan untuk sintesis berbagai konsentrasi Co ke dalam lembar nanon h-BN melalui rute hidrotermal untuk menghilangkan polutan organik dari air tekstil dan perilaku magnetis.

Bahan

Bubuk BN bulk (98%), formamida dimetil (DMF) metil biru (MB), dan natrium borohidrida (NaBH₄) dibeli dari Sigma-Aldrich Co. (Jerman). Nitrat kobalt (II) heksahidrat (CoH₁₂N₂O₁₂) (98%) dibeli dari VWR chemicals (UK). Semua kimia yang diperoleh untuk studi ini digunakan tanpa pemurnian tambahan.

Eksfoliasi dan Sintesis BN Doped Co

Rute eksfoliasi kimia digunakan untuk sintesis BN-NS. Pertama, 5 g bubuk BN bulk dilarutkan dalam 200 mL DMF dan diaduk selama 20 menit untuk mendapatkan larutan stok. Ini diikuti oleh sonikasi kuat selama 12 jam. Setelah sonikasi, lembar BN yang melayang dikumpulkan dari larutan stok. Pemadatan dilakukan melalui pendekatan hidrotermal. Dalam metode ini, nitrat kobalt (II) heksahidrat digunakan sebagai dopant Co. Rasio bobot nitrat kobalt (II) heksahidrat yang berbeda (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) dipadatkan ke lembar nanon BN yang dikumpulkan. Kemudian, BN-NS yang dipilih dan nitrat kobalt (II) heksahidrat dengan berbagai rasio (1:0,25, 1:0,05, 1:0,075, 1:0,1) disperse dalam 100 mL air deionisasi di bawah pengadukan berkelanjutan selama 15 menit. Suspensi dituangkan ke autoklaf baja tahan karat, ditempatkan dalam oven vakum pada 200 °C selama 10 jam seperti yang diilustrasikan dalam skema Gambar 1. Akhirnya, autoklaf dikeluarkan dari oven dan didinginkan pada suhu ruang. Prekursor dikeringkan pada piring panas pada 100–120 °C.

Ilustrasi skematis eksfoliasi dan sintesis BN-NS Doped Co

Aktivitas Katalitik

Aktivitas katalitik BN-NS murni dan Doped Co diukur untuk menentukan tingkat degradasi warna. Ini dilakukan dengan memantau degradasi MB dalam larutan akuatik NaBH₄ yang berfungsi sebagai agen pengurang. Keduanya MB dan NaBH₄ disiapkan segar untuk memastikan integritas data eksperimen. Secara umum, MB adalah indikator redox yang paling banyak digunakan dalam kimia analitik untuk mengatur aktivitas katalitik selama uji degradasi warna. Selain itu, MB tetap biru dalam bentuk teroksidasi sedangkan, ia tampak netral ketika direduksi [37]. Dua eksperimen katalitik dilakukan, yang pertama dengan 500 μL NaBH₄ dan 2 mg katalis dan yang kedua dengan 1000 μL NaBH₄ dan 4 mg katalis. Secara umum, konsentrasi katalis yang digunakan dalam eksperimen adalah faktor paling signifikan yang mempengaruhi reaksi kimia. Katalis menurunkan energi aktivasi (E_a) dari reaksi sehingga berfungsi untuk meningkatkan stabilitas dan laju reaksi. MB terutama warna beracun yang berbahaya bagi lingkungan. Ia dapat direduksi oleh NaBH₄ yang mengubahnya menjadi spesies nonacuk dan berwarna netral. Namun, proses pengurangan relatif lambat dalam keberadaan NaBH₄. BN-NS yang tidak dipadatkan dan Doped Co menunjukkan luas permukaan besar yang ketika digabungkan dengan peningkatan reaktivitas reaksi berfungsi untuk mempercepat efisiensi pengurangan warna. Penggabungan katalis ke dalam MB dalam keberadaan agen pengurang menyebabkan adsorpsi. Selain itu, lapisan pengurang yang disperse di atas katalis juga dapat mempercepat adsorpsi karena reaksi oksidasi-reduksi antara katalis dan MB. Reaksi pengurangan oleh katalis terjadi dengan mentransfer e⁻ dari konten donatur BH₄⁻ (misalnya, dari NaBH₄) ke konten penerima MB yang facilitated oleh BN-NS murni dan yang dipadatkan. Ini mengakibatkan penurunan E_a yang berfungsi untuk mengstabilkan reaksi. Aktivitas katalitik dievaluasi dengan mengambil 500 atau 1000 μL NaBH₄ yang diencerkan dalam 10 mL larutan MB dalam sel kuarsa. Kemudian, katalis (2 atau 4 mg) ditambahkan untuk menyelidiki degradasi MB. Degradasi warna dievaluasi spektrofotometrik seperti diilustrasikan dalam skema Gambar 2. Selain itu, spektrum absorpsi yang bervariasi dari 200 hingga 800 nm yang diperoleh dengan MB digunakan sebagai referensi pada suhu ruang. Degradasi warna dalam keberadaan katalis murni dan yang dipadatkan mengonfirmasi aktivitas katalitik yang ditingkatkan, sementara NaBH₄ gagal mengurangi MB.

Ilustrasi skematis pengaturan eksperimental yang digunakan untuk mengevaluasi aktivitas katalitik

Karakterisasi Material

Sampel yang disiapkan dianalisis menggunakan berbagai teknik. Konstitusi fase dan tingkat kristalinitas dievaluasi menggunakan difraktometer sinar-X PAN analytical X-pert PRO (XRD) dengan radiasi Cu-Kα (λ = 1,5418 Å) dan 2θ bervariasi dari 5° hingga 80°. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan menggunakan spektrometer Perkin Elmer untuk mengonfirmasi keberadaan fungsional grup. Spektra emisi diperoleh dari spektroskopi fotoluminesensi (PL) menggunakan spektrofluorometer JASCO FP-8200. Spektra Raman diperoleh dengan mikroskop Raman DXR (Thermo scientific) yang memiliki Laser dioda pada 532 nm. Pemeriksaan morfologi dilakukan menggunakan mikroskopi elektron pemancaran medan (FE-SEM) JSM-6460LV dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM) Philips CM30 dan JEOL JEM 2100F. Properti optik dicatat melalui spektrofotometer UV-visible-Genesys 10S. Spektroskopi energi-dispersif sinar-X (EDS) digunakan untuk melacak komposisi elemen. Properti magnetis diukur dengan magnetometer sampel getaran (VSM).

Hasil dan Pembahasan

XRD digunakan untuk menganalisis fase dan struktur kristal sampel yang disiapkan, seperti diilustrasikan dalam Gambar 3a. Puncak difraksi diamati pada 26,8°, 41,6°, 43,52°, dan 50,2° yang diindeks sebagai bidang (002), (100), (101), dan (102), masing-masing. Refleksi yang diamati mengonfirmasi keberadaan fase heksagonal BN dan sepakat dengan JCPDS 00-034-0421 [38, 39]. Layak untuk dicatat bahwa intensitas puncak karakteristik dari murni ke sampel yang dipadatkan meningkat, yang menunjukkan bahwa kristalinitas ditingkatkan dengan incorporasi Co. Selain itu, pola XRD menunjukkan pergeseran puncak ke arah sudut difraksi yang lebih tinggi, yang dikaitkan dengan keberadaan dopant dalam spesimen [40]. Jarak antar lapis d₀₀₂ yang dihitung dengan bantuan hukum Bragg (nλ = 2dsinθ) sekitar 0,34 nm, yang sesuai dengan hasil HR-TEM [41].

a Pola XRD BN-NS murni dan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) BN-NS Doped Co. b Spektra FTIR

FTIR dilakukan untuk mengidentifikasi sidik jari IR dalam nanosheet kontrol dan yang dipadatkan, seperti diilustrasikan dalam Gambar 3d. Spektra diamati pada sekitar 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 bending) dan B–N (getaran peregangan). Puncak terakhir terkait dengan getaran bending mode A_2u mode (luar bidang) sementara puncak pertama sepakat baik dengan getaran peregangan mode E_1u (dalam bidang) [42, 43]. Selain itu, puncak pada 1020, 1160, dan 1672 cm⁻¹ sesuai dengan ikatan C–O, B–N–O, dan C=O, masing-masing [44]. Puncak lain yang berpusat pada 3187 cm⁻¹ sesuai dengan ikatan B–OH [45, 46].

Identifikasi sidik jari struktural dilakukan melalui spektrum Raman, seperti diilustrasikan dalam Gambar 4a. Spektra menunjukkan puncak Raman karakteristik yang berpusat pada 1370 cm⁻¹ yang dikaitkan dengan mode fonon aktif E_2g h-BN dan berkaitan dengan puncak G grafin [47]. BN-NS yang diekskoliasi menunjukkan puncak minor pada 550 dan 880 cm⁻¹ yang dikaitkan dengan latar belakang fluorescensi [48]. Selain itu, dilaporkan dalam literatur bahwa h-BN monokristal berkualitas tinggi menunjukkan mode fonon aktif E_2g pada 1367 cm⁻¹ [40]. Dalam studi ini, mode fonon aktif E_2g yang bergeser ke merah terjadi sebagai akibat interaksi lemah antara lapisan BN. Selain itu, spektrum Raman yang bergeser ke merah menunjukkan keberadaan beberapa lembar nanon, yang menyebabkan elongasi ringan pada ikatan bor dan nitrogen (B–N) [49, 50]. Akibatnya, elongasi ini pada ikatan B–N adalah akibat dari pelunak fonon dan sepakat dengan hasil yang sebelumnya dikutip. Selain itu, pemadatan elemen, urutan lapisan yang ditumpuk, ukuran domain, dan porositas dapat menyebabkan penggelarahan dan pergeseran puncak [51].

a Spektra Raman BN-NS kontrol dan yang dipadatkan. b Spektra PL

Spektroskopi PL dilakukan untuk memahami migrasi dan rekombinasi pasangan lubang-elektron eksiton, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4b. Spektra diamati dengan panjang gelombang eksitasi dan emisi λ_ex = 220 nm dan λ_em = 310 nm, masing-masing. Pita karakteristik yang diamati pada sekitar 322–342 nm sesuai dengan transisi lubang-elektron karena level impuriti [52, 53]. Layak untuk dicatat bahwa pita eksiton meningkat tetapi tidak menunjukkan pergeseran panjang gelombang pada pemadatan. Puncak karakteristik pada sekitar 446 nm dan 471 nm menunjukkan bahwa intensitas PL menunjukkan peningkatan tajam dari murni ke sampel yang dipadatkan. Sementara itu, BN-NS Doped Co 10 wt% memiliki intensitas PL maksimum di antara semua sampel yang menunjukkan rekombinasi lubang-elektron maksimum. Intensitas berturun secara bertahap karena konsentrasi pemadatan yang menunjukkan pemisahan muatan foto yang dihasilkan [54]. Spektra emisi mengungkapkan perilaku PL yang bergantung pada eksitasi yang sesuai dengan hasil yang sebelumnya dilaporkan [55].

Spektroskopi UV-vis digunakan untuk menyelidiki spektrum absorpsi dan jarak energi produk yang disiapkan, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5a. Puncak absorpsi karakteristik dari host BN-NS berada pada ambang sekitar 205 nm dalam wilayah ultraviolet dalam (DUV) yang merujuk pada jarak energi sekitar 5,7 eV sebagaimana ditampilkan dalam Gambar 5b. Layak untuk disebutkan bahwa BN bulk menghasilkan jarak energi 5,2–5,4 eV sementara lapis tunggal mengekspos jarak energi sekitar 6,07 eV yang sepakat baik dengan perhitungan teoretis (misalnya, 6,0 eV). Dalam kasus bi/multilayer, nilai jarak energi bervariasi dari 5,56 hingga 5,92 eV [43]. Sesuai dengan jarak energi yang luas dalam Gambar 5b dan perilaku luminesensi DUV dalam Gambar 5a, lembar nanon h-BN dapat dianggap sebagai kandidat baru untuk berbagai aplikasi dalam emisi foton, lasing UV, dan detektor DUV [56]. Selain itu, tepi absorpsi bergeser ke panjang gelombang yang lebih lama dengan meningkatnya konsentrasi pemadatan (2,5 hingga 10 wt%) yang menunjukkan redshift (Gambar 5b) [57].

a Spektra UV-vis BN-NS polos dan Doped Co. b Plot Tauc untuk jarak energi

Morfologi dan komposisi BN-NS kontrol dan yang dipadatkan dianalisis dengan FE-SEM seperti ditunjukkan dalam Gambar 6a. Mikrograf menunjukkan bahwa partikel yang diperoleh memiliki struktur lembar nanon agregat dengan permukaan halus dan tepis melengkung. Gambar 6 b–d menunjukkan lembar nanon BN yang dilapisi kobalt. Aglomerasi diamati di semua sampel. Mikrograf FE-SEM mengungkapkan bahwa lembar nanon dilipat dengan struktur berlapis kompak dan memiliki bentuk serta dimensi lateral yang tidak seragam. Konfigurasi dan dimensi lembar nanon adalah akibat dari eksfoliasi bubuk BN bulk. Morfologi produk yang diperoleh lebih lanjut dikonfirmasi dengan analisis HR-TEM. Dari mikroskop HR-TEM yang ditunjukkan dalam Gambar 6a–d, morfologi berlembar dari produk yang disiapkan diamati. Selain itu, permukaan kasar kompak lembar nanon diamati dengan fitur berlubang sedikit yang menghasilkan aktivitas katalitik yang ditingkatkan. Titik bola gelap diamati yang menunjukkan incorporasi dopant yang berhasil. Pengumpukan kecil dan tepis melengkung lembar nanon dicatat, seperti yang ditunjukkan oleh analisis SEM dalam Gambar 6a–d. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa analisis FE-SEM dan HR-TEM menunjuk pada eksfoliasi yang berhasil lembar nanon BN dari bubuk BN bulk.

a, a’ Gambar FE-SEM dan HR-TEM BN-NS murni. b–d FE-SEM dari BN-NS yang dipadatkan (2,5, 7,5, dan 10 wt%). b’–d’ HR-TEM dari BN-NS yang dipadatkan (2,5, 7,5, dan 10 wt%) (inset 50 nm)

Pengukuran jarak antar lapis dari sampel polos dan yang dipadatkan dilakukan dengan IFFT (lihat inset) yang diinduksi oleh gambar FFT HR-TEM yang diperiksa melalui perangkat lunak Gatan digital micrograph untuk membedakan garis jaringan. Nilai d-spacing yang diamati untuk BN-NS polos dan yang dipadatkan 2,5 wt% adalah 0,34 nm dan 0,21 nm yang masing-masing sesuai dengan bidang d₀₀₂ dan d₁₀₀, seperti diilustrasikan dalam Gambar 7a, c. Temuan ini sepakat baik dengan analisis XRD dan data standar [58]. Selain itu, profil SAED ditunjukkan dalam Gambar 7b, d yang menunjukkan cincin difraksi titik terang. Cincin difraksi ini diindeks sebagai berasal dari bidang (002), (100), (101), dan (102) yang sepakat baik dengan hasil XRD. Pola SAED menunjukkan bahwa semua cincin termasuk BN heksagonal dan memvalidasi sifat kristal yang tinggi dari lembar nanon [58].

a, c Analisis d-spacing host dan BN-NS yang dipadatkan 2,5 wt%. b, d Pola SAED kontrol dan BN-NS yang dipadatkan 2,5 wt%

Komposisi elemen permukaan BN-NS yang dipadatkan diselidiki melalui analisis EDS seperti ditunjukkan dalam Gambar 8a–d, masing-masing. Mikrograf yang diperoleh menunjukkan puncak kuat bor (B) dan nitrogen (N) sementara sinyal minor untuk kobalt (Co) juga diamati dalam spektrum EDS (Gambar 8a). Dua puncak sedang Co pada 0,5 dan 7 keV diamati dalam sampel yang dipadatkan Co, yang mengonfirmasi incorporasi dopant yang berhasil. Selain itu, sinyal karbon di bawah 1 keV berasal dari tab karbon yang digunakan untuk memegang sampel selama analisis dan/atau disebabkan oleh jumlah latar belakang tinggi dalam detektor SEM-EDS. Jika tidak, tidak ada karbon dalam sampel [59].

a–d Analisis EDS berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) BN-NS Doped Co

Properti magnetis BN-NS Doped Co dievaluasi dengan kurva M–H menggunakan pengukuran VSM. Dalam grafik yang ditunjukkan dalam Gambar 9, penampilan sigmoid loop M–H menunjukkan bahwa BN-NS Doped Co ditandai dengan momen magnetis. Studi literatur mengungkapkan bahwa BN polos menunjukkan perilaku diamagnetik dengan kerentanan (χ ≈ − 8,6 × 10⁻⁷ emu/g) [31, 35]. Sebaliknya, BN-NS Doped Co menunjukkan feromagnetisme suhu ruang (RT-FM) yang berasal dari interaksi pertukaran antara ion Co⁺² dan dipol tidak terpasang yang cenderung sejajar dengan medan magnet yang diterapkan. Terlihat bahwa loop histeresis terlihat lebih presisi seiring meningkatnya konsentrasi pemadatan, yang mengonfirmasi kemurnian dan incorporasi dopant yang berhasil. Kersi, remanensi, dan magnetisasi jenuh BN-NS Doped Co memprediksi kelemahan dan kekerasan material magnetis. Pemadatan Co dalam BN-NS menghasilkan pembentukan material magnetis lembut. Nilai remanensi (M_r), magnetisasi jenuh (M_s), dan kersi (H_C) untuk berbagai konsentrasi pemadatan (2,5, 5, dan 7,5 wt%) dihitung dari kurva M–H sebagaimana ditunjukkan dalam Tabel 1.

Kurva M–H berbagai konsentrasi (2,5, 5, dan 7,5 wt%) BN-NS Doped Co

Aktivitas katalitik BN-NS polos dan Doped Co yang bekerja sebagai katalis diekspresikan oleh degradasi MB dan diselidiki melalui spektrum absorpsi yang dipantau dengan spektrofotometer UV-vis. Gambar 10 a–h menunjukkan hasil aktivitas katalitik menggunakan 500 μL NaBH₄ dan 2 mg katalis. Dari Gambar 10a, terlihat bahwa NaBH₄ gagal mengurangi MB dengan sukses, karena hanya mengurangi 8% warna setelah 40 menit. Incorporasi BN-NS polos ke dalam MB dalam keberadaan NaBH₄ menghasilkan degradasi 45% dalam 30 menit (Gambar 10b). Selain itu, kemampuan degradasi BN-NS Doped Co (lihat Gambar 10b–e) jauh lebih tinggi. Berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) katalis yang dipadatkan menunjukkan degradasi 58, 77, 90, dan 97% dalam 13, 8, 3, dan 2 menit, masing-masing. Menariknya, lembar nanon yang dipadatkan 10 wt% menunjukkan aktivitas katalitik yang unggul dan mengurangi 97% warna dalam hanya 2 menit yang lebih tinggi daripada konsentrasi yang dipadatkan (7,5, 5, dan 2,5 wt%) dan intensitas puncak karakteristik diamati pada sekitar 290 dan 665 nm. Peningkatan ini dalam degradasi warna kemungkinan disebabkan oleh peningkatan sit adsorpsi dan katalitik yang tersedia pada katalis. Dalam mekanisme ini, status 3d Co berinteraksi baik dengan status 2p sit B atau N yang tersedia yang sesuai dalam BN-NS. Interaksi kuat ini antara 3d Co dan status 2p B atau N menyebabkan peningkatan aktivitas katalitik dan menghasilkan degradasi warna yang cepat, yang secara menguntungkan mendukung hasil kami [60].

a Spektra UV-vis tergantung waktu NaBH₄. b BN-NS polos. c–f Berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) BN-NS Doped Co. g Plot C_t/C_o versus waktu. h Perbandingan persentase degradasi atas berbagai konsentrasi BN-NS

Eksperimen katalitik diulang menggunakan 1000 μL NaBH₄ dan 4 mg katalis. Dengan meningkatnya konsentrasi katalis, reaksi berlangsung lebih cepat dibandingkan eksperimen yang sebelumnya disebutkan. Observasi ini sepakat baik dengan literatur. Dalam eksperimen saat ini, NaBH₄ masih gagal mengurangi MB sementara BN-NS polos dan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) katalis yang dipadatkan mengurangi 51, 65, 82, 95, dan 99% dalam 27, 10, 6, 2, dan 1 menit, masing-masing, seperti yang dievaluasi dengan spektrofotometer. Hasil eksperimen yang mengukur aktivitas katalitik diilustrasikan dalam Gambar 11a, b.

a Plot C_t/C_o versus waktu menggunakan NaBH₄ = 1000 μL dan katalis = 4 mg. b Perbandingan persentase degradasi atas berbagai konsentrasi. c Plot C_t/C_o versus waktu untuk reusabilitas BN-NS Doped Co 10 wt%. d Plot C_t/C_o versus waktu untuk reusabilitas BN-NS Doped Co 10 wt%

Menurut hukum Beer-Lambert, rasio konsentrasi MB pada waktu tertentu (C_t) dan konsentrasi awal MB (C_o), yang disebut sebagai C_t/C_o, dapat diperkirakan oleh rasio absorbansi paralel (A_t/A_o). Gambar 10 f dan 11 a menggambarkan kurva waktu C_t/C_o yang digunakan untuk semua katalis sementara Gambar 10 g dan 11 b menunjukkan persentase degradasi semua katalis. Persentase degradasi dievaluasi oleh Eq. 1.

Selain itu, nilai pH adalah variabel operasional yang penting dalam pengolahan degradasi warna. Selain itu, pH memiliki peran penting dalam pengolahan limbah cair tekstil dan mekanisme reaksi yang berkontribusi pada degradasi warna. Layak untuk disebutkan bahwa persentase degradasi sangat bergantung pada nilai pH. Dalam eksperimen saat ini, nilai pH diatur pada 8,5. Secara signifikan, degradasi warna karena aktivitas katalitik menunjukkan hasil terbaik dalam lingkungan alkaline yang secara menguntungkan mendukung temuan eksperimental kami. Beberapa laporan mengungkapkan bahwa degradasi warna tertinggi oleh aktivitas katalitik diamati dalam lingkungan alkaline [61].

Stabilitas dan reusabilitas (kemampuan daur ulang) katalis adalah karakteristik penting untuk mengevaluasi katalis yang digunakan untuk degradasi warna. Dalam studi ini, stabilitas katalis dievaluasi dengan membiarkan eksperimen yang dilakukan tetap selama 48 jam. Setelah 48 jam, hasil sama seperti yang dilakukan awalnya, yaitu, degradasi masih dalam kondisi sebelumnya. Reusabilitas katalis diselidiki dengan mendaur ulang katalis Doped Co 10 wt% yang berfungsi sebagai katalis unggul dalam studi ini untuk tiga siklus. Spektral yang diekstraksi dari aktivitas katalitik daur ulang dievaluasi seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11c, d.

Selain itu, beban katalis sebelum dan setelah tiga kali proses daur ulang diperiksa. Pada aktivitas pertama dan kedua, penurunan bobot katalis yang kecil antara 2 mg dan 4 mg (sebelum) menjadi 1,7 mg dan 3,6 mg (setelah tiga siklus) terdeteksi dengan mempertimbangkan deviasi sensasi sekitar 5% dalam eksperimen saat ini. Temuan ini menunjukkan bahwa BN-NS Doped Co menunjukkan stabilitas luar biasa saat berfungsi sebagai katalis. Akhirnya, studi ini menunjukkan bahwa BN-NS Doped Co menunjukkan perilaku katalitik yang efisien dan luar biasa terhadap degradasi warna dalam pengolahan limbah cair industri.

Kesimpulan

Dalam studi ini, lembar nanon nitrid bor (BN-NS) disintesis melalui eksfoliasi kimia bubuk BN bulk. Berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) Co berhasil diincorporasi melalui pendekatan hidrotermal. BN-NS polos dan yang dipadatkan yang disiapkan dikarakterisir dengan berbagai teknik untuk mengevaluasi efek pemadatan. Pola XRD mengonfirmasi keberadaan fase heksagonal BN dengan kristalinitas yang ditingkatkan dari sampel polos ke yang dipadatkan. Selanjutnya, pergeseran puncak mengindikasikan incorporasi dopant yang berhasil. Spektra FTIR menunjukkan getaran peregangan B–N yang terikatan sp² yang sesuai dengan mode E_1g (dalam bidang) serta getaran bending B–N–B yang terkait dengan mode A_2u (luar bidang). Spektroskopi Raman mengonfirmasi mode fonon aktif E_2g h-BN sementara spektroskopi fotoluminesensi mengungkapkan spektrum emisi yang disumbangkan pada migrasi dan rekombinasi eksiton. BN-NS host dan Doped Co menampilkan absorpsi di wilayah DUV bersama dengan redshift yang menyebabkan penurunan energi jarak energi yang menunjukkan bahwa ini merupakan material yang cocok untuk degradasi warna dari limbah cair industri dan polutan organik. Morfologi berlembar produk yang diperoleh dikaji melalui FE-SEM dan HR-TEM. Fitur berlubang sedikit menghasilkan aktivitas katalitik yang tinggi karena sit adsorpsi yang tersedia. Analisis EDS menunjukkan kemurnian sampel dan mengonfirmasi incorporasi dopant dalam lembar nanon. Perilaku magnetis BN-NS Doped Co diselidiki melalui pengukuran VSM yang menunjukkan perilaku feromagnetik yang kuat sementara BN-NS polos menunjukkan perilaku diamagnetik. Secara signifikan, penampilan sigmoid loop histeresis menjadi lebih presisi dari konsentrasi Co yang lebih rendah ke yang lebih tinggi dari BN-NS Doped Co, yang menunjuk pada pembentukan material magnetis lembut. Terkait, BN-NS polos dan Doped Co digunakan sebagai katalis dalam degradasi warna. Aktivitas katalitik memberikan hasil yang efisien untuk sebagian besar sampel tetapi katalis Doped Co 10 wt% menunjukkan hasil yang signifikan dengan degradasi warna tertinggi (99%) dalam 1 menit, menjadikannya katalis baru dalam studi ini. Hasil yang diekstraksi dari BN-NS polos dan yang dipadatkan dapat digunakan sebagai pedoman untuk memodifikasi dan meningkatkan properti magnetis guna meningkatkan keandalan dalam teknologi optoelektronik modern. Akhirnya, material yang disintesis memiliki potensi untuk digunakan sebagai katalis nano yang stabil, dapat digunakan ulang, dan unggul untuk mengganti metode pengolahan limbah cair konvensional.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

BN-NS:

Lembar nanon nitrid bor

Co:

Kobalt

UV-vis:

Spektroskopi ultra-violet visible

XRD:

Difraksi sinar-X

DUV:

Wilayah ultraviolet dalam

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

PL:

Fotoluminesensi

DMF:

Formamida dimetil

MB:

Metil biru

NaBH₄ :

Natrium borohidrida

EDS:

Spektroskopi energi-dispersif sinar-X

FE-SEM:

Mikroskopi elektron pemancaran medan

HR-TEM:

Mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi

JCPDS:

Komite standar difraksi bubuk bersama,

VSM:

Pengukuran magnetometer sampel getaran