Влияние условий микрореакторного смешения растворов реагентов на формирование и фотокаталитические свойства BiVO4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Проведен микрореакторный синтез ванадата висмута с вариацией расходов растворов и концентраций реагентов в них. При повышении концентрации реагентов от 0.01 до 0.03 моль/л (при расходах растворов 1.5 л/мин) наблюдается увеличение размеров кристаллитов с ~ 37 до ~ 76 нм. При повышении расходов потоков с 1.5 до 3.2 л/мин как размеры кристаллитов, так и доли моноклинной и тетрагональной фаз ванадата висмута для концентраций 0.01 и 0.02 моль/л отличаются несущественно (в пределах погрешности). Это означает, что производительности 1.5 л/мин достаточно для обеспечения необходимого качества микросмешения. Увеличение расхода растворов приводит к более интенсивному микросмешению, что, в свою очередь, наряду с концентрацией солей, влияет на размеры и морфологию частиц, а далее, на ширину запрещенной зоны, и, как следствие, на фотокаталитическую активность полученных частиц. Для одного и того же расхода исходных растворов лучшие фотокаталитические характеристики демонстрируют образцы, полученные при меньшей концентрации исходных реагентов, что обеспечивает большую долю моноклинной фазы BiVO4 и меньший размер кристаллитов этой фазы. Показана возможность контролируемого микрореакторного синтеза ванадата висмута с заданным фазовым составом, морфологией и размерами кристаллитов.

About the authors

Д. П. Еловиков

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)

Author for correspondence.
Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

И. В. Макушева

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

С. М. Тиханова

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

М. В. Томкович

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

О. В. Проскурина

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Р. Ш. Абиев

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

В. В. Гусаров

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Email: syncdima@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Trinh D.T.T., Khanitchaidecha W., Channei D., Nakaruk A. Synthesis, characterization and environmental applications of bismuth vanadate // Research on Chemical Intermediates. 2019. V. 45. P. 5217.
  2. Guo M., He Q., Wang W., Wu J., Wang W. Fabrication of BiVO4: Effect of structure and morphology on photocatalytic activity and its methylene blue decomposition mechanism // Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2016. V. 31. № 4. P. 791.
  3. Hu Y., Li D., Sun F., Wang H., Weng Y., Xiong W., Shao Y. One-pot template-free synthesis of heterophase BiVO4 microspheres with enhanced photocatalytic activity // RSC Advances. 2015. V. 5. № 68. P. 54882.
  4. Ketwong P. Takashima M., Nitta A., Pookmanee P., Ohtani B. Hydrothermal synthesis and photocatalytic activities of stabilized bismuth vanadate/bismuth tungstate composites // Journal of environmental chemical engineering. 2018. V. 6. № . 2. P. 2048.
  5. Proskurina O.V., Chetinel I.D., Seroglazova A.S., Gusarov V.V. Influence of the composition of the BiPO4–BiVO4 system on the phase formation, morphology, and properties of nanocrystalline composites obtained under hydrothermal conditions // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023. V. 14. № 3. P. 363.
  6. Tayebi M., Tayyebi A., Lee B.-K., Lee C.-H., Lim D.-H. The effect of silver doping on photoelectrochemical (PEC) properties of bismuth vanadate for hydrogen production // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2019. V. 200. P. 109943.
  7. Jiang H., Dai H., Meng X., Zhang L., Deng J., Liu Y., Au C.T. Hydrothermal fabrication and visible-light-driven photocatalytic properties of bismuth vanadate with multiple morphologies and/or porous structures for Methyl Orange degradation // Journal of Environmental Sciences. 2012. V. 24. № 3. P. 449.
  8. Sun J., Chen G., Wu J., Dong H., Xiong G. Bismuth vanadate hollow spheres: Bubble template synthesis and enhanced photocatalytic properties for photodegradation // Applied Catalysis B: Environmental. 2013. V. 132. P. 304.
  9. Kumar S., Sahare P.D. Photocatalytic activity of bismuth vanadate for the degradation of organic compounds // Nano. 2013. V. 8. № 1. P. 1350007.
  10. Tayyebi A., Soltani T., Lee B.K. Effect of pH on photocatalytic and photoelectrochemical (PEC) properties of monoclinic bismuth vanadate // Journal of colloid and interface science. 2019. V. 534. P. 37.
  11. Ravidhas C., Josephine A.J., Sudhagar P., Devadoss A., Terashima C., Nakata K. et al. Facile synthesis of nanostructured monoclinic bismuth vanadate by a co-precipitation method: Structural, optical and photocatalytic properties // Materials Science in Semiconductor Processing. 2015. V. 30. P. 343.
  12. García-Pérez U.M., Sepúlveda-Guzmán S., Martínez-de la Cruz A., Peral J. Selective synthesis of monoclinic bismuth vanadate powders by surfactant-assisted co-precipitation method: Study of their electrochemical and photocatalytic properties // International Journal of Electrochemical Science. 2012. V. 7. № 10. P. 9622.
  13. Pookmanee P., Paosorn S., Phanichphant S. Chemical Synthesis and characterization of bismuth vanadate powder // Advanced Materials Research. 2010. V. 93. P. 153.
  14. Sajid M.M., Amin N., Shad N.A., Bashir khan S., Javed Y., Zhang Z. Hydrothermal fabrication of monoclinic bismuth vanadate (m-BiVO4) nanoparticles for photocatalytic degradation of toxic organic dyes // Materials Science and Engineering: B. 2019. V. 242. P. 83.
  15. Li H., Liu G., Duan X. Monoclinic BiVO4 with regular morphologies: hydrothermal synthesis, characterization and photocatalytic properties // Materials Chemistry and Physics. 2009. V. 115. № 1. P. 9.
  16. Wang F., Shao M., Cheng L., Hua J., Wei X. The synthesis of monoclinic bismuth vanadate nanoribbons and studies of photoconductive, photoresponse, and photocatalytic properties // Materials Research Bulletin. 2009. V. 44. № 8. P. 1687.
  17. Wang X., Liu H., Wan X. Surfactant‐assisted hydrothermal preparation of monoclinic bismuth vanadate microspheres and visible‐light‐driven photocatalytic activity // Micro & Nano Letters. 2013. V. 8. № 11. P. 822.
  18. Pookmanee P., Longchin P., Kangwansupamonkon W., Puntharod R., Phanichphant S. Microwave-assisted synthesis bismuth vanadate (BiVO4) powder // Ferroelectrics. 2013. V. 455. № 1. P. 35.
  19. Khan I., Ali S., Mansha M., Qurashi A. Sonochemical assisted hydrothermal synthesis of pseudo-flower shaped Bismuth vanadate (BiVO4) and their solar-driven water splitting application // Ultrasonics sonochemistry. 2017. V. 36. P. 386.
  20. Wang M., Liu Q., Luan H.Y. Preparation, characterization and photocatalytic preoperty of BiVO4 photocatalyst by sol-gel method // Applied Mechanics and Materials. 2011. V. 99. P. 1307.
  21. Vignesh R. Brintha Mathy V.P., Geetha G.V., Sivakumar R., Sanjeeviraja C. Temperature induced thermochromism of m-BiVO4 thin films prepared by sol-gel spin coating technique // Materials Letters. 2021. V. 285. P. 129200.
  22. Abiev R.S. Impinging-Jets Micromixers and Microreactors: State of the Art and Prospects for Use in the Chemical Technology of Nanomaterials (Review) // Theor Found Chem Eng. 2020. V. 54. P. 1131. [Абиев Р.Ш. Микросмесители и микрореакторы со сталкивающимися струями: современное состояние и перспективы применения в химической технологии наноматериалов (обзор) // Теор. основы хим. технол. 2020. Т. 54. № 6. С. 668.]
  23. Kulkarni S., Singh A., Malek C.K. Development in microreactor technology for nanoparticle synthesis. // International Journal of Nanoscience. 2010. V. 9. № 01n02. P. 93.
  24. Zhao C.X., He L., Qiao S.Z., Middelberg A.P.J. Nanoparticle synthesis in microreactors // Chemical Engineering Science. 2011. V. 66. № 7. P. 1463.
  25. Suryawanshi P.L., Gumfekar S.P., Bhanvase B.A., Sonawane S.H., Pimplapure M.S. A review on microreactors: Reactor fabrication, design, and cutting-edge applications // Chemical Engineering Science. 2018. V. 189. P. 431.
  26. Proskurina O.V., Abiev R. Sh., Nevedomskiy V.N. Influence of using different types of microreactors on the formation of nanocrystalline BiFeO3 // Nanosyst.: Phys. Chem. Math. 2023. V.14. № 1. P. 120.
  27. Abiev R.S., Proskurina O.V., Enikeeva M.O., Gusarov V.V. Effect of Hydrodynamic Conditions in an Impinging-Jet Microreactor on the Formation of Nanoparticles Based on Complex Oxides // Theor Found Chem Eng. 2021. V. 55. № 1. P. 12. [Абиев Р.Ш., Проскурина О.В., Еникеева М.О., Гусаров В.В. Влияние гидродинамических условий в микрореакторе со сталкивающимися струями на формирование наночастиц на основе сложных оксидов // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. № 1. С. 16.]
  28. Abiev R. Sh., Almjasheva O.V., Popkov V.I., Proskurina O.V. Microreactor Synthesis of Nanosized Particles: The Role of Micromixing, Aggregation, and Separation Processes in Heterogeneous Nucleation // Chemical Engineering Research and Design. 2022. V. 178. P. 73.
  29. Abiev R. Sh. Chemical and biochemical reactors for controlled synthesis of organic and inorganic compounds // Rus. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. № 11. P. 1653. [Абиев Р.Ш. Химические и биохимические реакторы для контролируемого синтеза органических и неорганических веществ (обзор) // Журн. прикл. химии. 2022. Т. 95. № 11–12. С. 1339.]
  30. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers // Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. № 1. P. 405.
  31. Abiev R.S., Kudryashova Y.S., Zdravkov A.V., Fedorenko N.Y. Micromixing and co-precipitation in continuous microreactors with swirled flows and microreactors with impinging swirled flows // Inorganics. 2023. V. 11. № 2. P. 49.
  32. Абиев Р.Ш. Микрореактор-смеситель многоступенчатый с закрученными потоками. Патент 2748486 РФ. 2021.
  33. Abiev R. Sh., Makusheva I.V. Effect of macro- and micromixing on processes involved in solution synthesis of oxide particles in high-swirl microreactors // Theor Found Chem Eng. 2022. V. 56. № 2. P. 141. [Абиев Р.Ш., Макушева И.В. Влияние макро- и микросмешения на процессы растворного синтеза частиц оксидных материалов в микроаппаратах с интенсивно закрученными потоками // Теор. основы хим. технол. 2022. T. 56. № 2. C. 137.]
  34. Abiev R. Sh., Makusheva I.V. Energy dissipation rate and micromixing in a two-step micro-reactor with intensively swirled flows // Micromachines. 2022. V. 13. № 11. P. 1859.
  35. Cooper J.K., Gul S., Toma F.M., Chen L., Liu Y.-S., Guo J et al. Indirect bandgap and optical properties of monoclinic bismuth vanadate // The Journal of Physical Chemistry C. 2015. V. 119. № 6. P. 2969.
  36. Omrani N., Nezamzadeh-Ejhieh A. BiVO4/WO3 nano-composite: characterization and designing the experiments in photodegradation of sulfasalazine // Environmental Science and Pollution Research. 2020. V. 27. № 35. P. 44292.
  37. Liu C., Luo H., Xu Y., Wang W., Liang Q., Mitsuzaki N., Chen Z. Cobalt–phosphate-modified Mo: BiVO4 mesoporous photoelectrodes for enhanced photoelectrochemical water splitting // Journal of Materials Science. 2019. V. 54. P. 10670.
  38. Li G., Bai Y., Zhang W.F. Difference in valence band top of BiVO4 with different crystal structure //Materials Chemistry and Physics. 2012. V. 136. № 2–3. P. 930.
  39. Huang M., Bian J., Xiong W., Huang C., Zhang R. Low-dimensional Mo: BiVO4 photoanodes for enhanced photoelectrochemical activity // Journal of Materials Chemistry A. 2018. V. 6. № 8. P. 3602.
  40. Liu R., Ren J., Zhao D., Ning J., Zhang Z., Wang Y., Zhong Y. et al. Band-gap engineering of porous BiVO4 nanoshuttles by Fe and Mo co-doping for efficient photocatalytic water oxidation // Inorganic Chemistry Frontiers. 2017. V. 4. № 12. P. 2045.
  41. Pearson R.G. Absolute electronegativity and hardness: application to inorganic chemistry // Inorganic chemistry. 1988. V. 27. № 4. P. 734.
  42. Chen Y. Ma X., Li D., Wang H., Huang C. Mechanism of enhancing visible-light photocatalytic activity of BiVO4 via hybridization of graphene based on a first-principles study // RSC advances. 2017. V. 7. № 8. P. 4395.
  43. Ilyas A., Rafiq K., Abid M.Z., Rauf A., Hussain E. Growth of villi-microstructured bismuth vanadate (Vm-BiVO4) for photocatalytic degradation of crystal violet dye // RSC advances. 2023. V. 13. № 4. P. 2379.
  44. Mansha M.S., Iqbal T., Farooq M., Riaz K.N., Afsheen S., Sultan M.S. et al. Facile hydrothermal synthesis of BiVO4 nanomaterials for degradation of industrial waste // Heliyon. 2023. V. 9. № 5.
  45. Kamble G.S., Ling Y.C. Solvothermal synthesis of facet-dependent BiVO4 photocatalyst with enhanced visible-light-driven photocatalytic degradation of organic pollutant: assessment of toxicity by zebrafish embryo // Scientific Reports. 2020. V. 10. № 1. P. 12993.
  46. Lin X. Yu L., Yan L., Li H., Yan Y., Liu C., Zhai H. Visible light photocatalytic activity of BiVO4 particles with different morphologies // Solid state sciences. 2014. V. 32. P. 61.
  47. Sivakumar V., Suresh R., Giribabu K., Narayanan V., Slawin A.M.Z. BiVO4 nanoparticles: Preparation, characterization and photocatalytic activity // Cogent chemistry. 2015. V. 1. № 1. P. 1074647.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences