アルカリ金属ドープ酸化亜鉛ナノ粒子の構造の違いと吸着挙動

Scientific Reports volume 12、記事番号: 2292 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ナノテクノロジーは、バルク材料と比較した表面積と体積の比率により、環境研究を含むあらゆる科学分野で重要な役割を果たしています。最近の研究では、汚染物質の除去と修復の実践としての有効性が証明されています。酸化亜鉛 (ZnO) ナノ粒子は、独特の特性を持つ多機能材料であり、ドープされた対応物は、さまざまな科学分野で広く研究されています。しかし、低コストで生産性が高いことから、環境廃棄物処理への応用が注目され始めています。重金属汚染は、水生生物および陸生生物に影響を与える主要な汚染物質の 1 つです。過去数十年にわたり、水域の汚染も憂慮すべき懸念を引き起こしています。重金属のほとんどは必須元素であり、微量で環境中に遍在しており、例えばニッケルのように、生物に対して毒性を引き起こします。私たちの研究では、さまざまな処理方法（調製したままおよび熱処理したもの）で製造したさまざまなアルカリ金属（K+、Rb+、およびCs+）ドープ酸化亜鉛ナノ粒子によるニッケルイオンの選択的除去の見通しを分析しました。ドーパントのアルカリ性陽イオンにより、花のようなものから棒のようなものまで形態変化があることがわかりました。さらに、結晶構造とそのさまざまな割合は、製造されたサンプルの非晶質含有量が、調製されたままのサンプルではドーパントの原子半径に対して 2 から 10 wt% 増加し、熱処理サンプルには存在しませんでした。 ZnO粒子のマイクロおよびナノジンカイト比に基づいて、構造とサンプル組成が水溶液中のニッケルイオンに対する吸着挙動にどのように直接影響するかを報告します。

酸化亜鉛 (ZnO) は、材料分野における半導体ベースの金属酸化物であり、その独特の特性により、化粧品、エレクトロニクス、製薬およびゴム産業での潜在的な用途が見出されています1、2、3、4、5。 ZnO の多機能特性は、ナノテクノロジーの助けを借りて改善できます。ナノテクノロジーは、材料の特性を変更して、新しい構造的、電子的、化学的、または機械的特徴を導入するのに役立ちます。粒子のサイズを少なくとも 100 nm 未満の 1 次元でナノスケールレベルに変更することは、新しい材料の作成に役立ちます。ナノスケール粒子は、バルクの対応物と比べて、表面積と体積の比、界面特性などが異なります6。 ZnO ナノ粒子は、その独特の特性と用途について研究されていました。共沈、ゾルゲル、水熱、ソルボサーマル、機械焼結などのさまざまな合成方法が、生産と品質の向上を目的として広く研究されています7。ナノスケールでは、ZnO はさまざまな次元 1D (棒、針、バネなど)、2D (シート、プレートなど)、および 3D 構造 (花、雪の結晶など) で発生し、新しい材料としてさまざまな用途につながります2。

一方で、親化合物マトリックスにさまざまな元素を組み込むことによって不純物や新しい特性を追加する操作的なアプローチであるドーピングが広く研究されています。同様に、遷移金属をドープした ZnO ナノ粒子は、その特性と構造的完全性により注目を集めています 8、9、10、11。ドープされた ZnO ナノ構造は、その構造が幾何学的に整列した代替金属と酸化物原子を軸に持ついくつかの規則的な相で構成される硬い形態を持っています 12、13、14。酸化亜鉛ナノ粒子自体と、さまざまなドーピング元素を含むドープされた対応物が、光触媒、電池、センサー、およびそれらの磁気的および電気的特性において研究されました15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 、27、28、29、30、31、32。 ZnO テトラポッドに関する新しい研究も、プラットフォーム上のすべての利点を応用しているため、芽が出てきています 33。

水質汚染は、水生生物だけでなく陸生生物にも影響を及ぼす可能性のある主要な環境問題の一つです。重金属汚染は、他の有害な化学物質とともに大きな脅威となります。発電所、肥料、染色産業、電池産業などによって汚染されている水域には、大量の重金属のほかに微量の重金属が存在します。濾過プロセスにおけるナノテクノロジーの使用は、現在広く応用されています。ろ過プロセスでは、活性炭源、生物学的に改変された微生物、およびポリマー材料が使用されました。遷移元素をドープした磁性ナノ材料に半導体ナノ粒子を使用することは、汚染物質の除去により適していることがわかっている 34,35,36。さらに、水溶液中の重金属の同定は、より効果的な方法で汚染物質を抽出および処理するための解決策となる可能性があります37、38、39、40、41。さまざまな元素をドープした酸化亜鉛ナノ粒子の使用は、廃水処理の分野にも適用され始めていました41。さまざまな汚染物質の中で、ニッケル (Ni) は生命体にとって必須の微量元素であり、最も多く検出される元素は水域の主要な汚染物質の 1 つです。ニッケル汚染は通常、ほとんどの水域で安全限界内にあると認識されていますが、わずかに増加すると、その毒性がさまざまな生命体に大きな影響を与える可能性があります42。また、環境および汚染の研究の観点からは、ドープされた ZnO ナノ粒子は重金属を吸着するという独特の特性を示します。ドーピングが他の元素よりも特定の元素の吸着プロセスに有利であることが報告されています43、44、45、46、47。

500 nm sizes. Thus, we categorized the ZnO in two crystallite size regions, as nano and micro range as we consider the range of average size of the particles. This approach allows us to detect the most important size ranges in the distribution, however, offers no information on the size values between the detected ranges (e.g., a distribution of 10 to 1000 nm with a maximum in the 50–100 nm range and a second one in the 600–700 nm does not mean, that all particles are grouped here). Calculating weight percentage offers us a distribution of each size fraction in the sample (Fig. 4), and unit cell data can be refined according to the fractions. Even by this approach, minimal differences were detected between control and doped ZnO unit cell values, indicating an infinitesimal amount of doping cations. However, linear X-ray adsorption coefficient (Fig. 5) shows a characteristic trend according to the atomic weight of the dopant. This property allows us to observe two important properties of the materials: incorporation of heavier or lighter elements by increase or decrease of adsorption coefficient, respectively; presence or elimination of grain boundary porosity/defects, resulting in an increase of adsorption coefficient. The small changes in coefficient of as-prepared samples indicate a < 100 ppm doping cation incorporation. Differences have been observed between nano and microcrystalline fractions for the same samples also. In the case of K:ZnO sample, nanocrystalline fraction takes up all the K+, since the coefficient of the microcrystalline fraction is higher than pure ZnO./p>