nanocevi litijum-niobata, · 2021. 1. 4. · dustriji i u za izradu mastila za naliv pera. Doka-zano je da kristal violet ima toksièan efekat na miševe i pacove (Hodge et al. 1983).

Momèilo Milosavljeviæ

Sinteza nanoceviniobijum(V)-oksida inanocevi litijum-niobata,srebrom dopiranogniobijum(V)-oksida iispitivanje njihovihfotokatalitièkih dejstavana kristal violetu

Ispitivan je uticaj katalizatora na bazi niobijumana fotokatalitièku degradaciju boje kristal violeti uporeðena njihova fotokatalitièka aktivnost satitanijum(IV)-oksidom. Katalizatori na kojimasu vršena ispitivanja bili su niobijum(V)-oksid,nanocevi niobijum(V)-oksida, nanocevi litijum--niobata, srebrom dopiran niobijum pentoksid ititanijum dioksid. Ispitivanje se vršilo praæenjempromene absorbance vodenog rastvora boje ukoju su bili dodati fotokatalizatori i ozraèivaniUV svetlom. Kao izvor zraèenja koristila se UVlampa. Dobijeni rezultati ukazuju na to da selitijum-niobat najbolje pokazao u razgradnjikristal violeta. Podaci takoðe ukazuju na to dasu svi dobijeni katalizatori bolji od najèešæekorišæenog katalizatora titanijum dioksida.

UvodNiobijum(V)-oksid je termodinamièki naj-

stabilniji predstavnik svih niobijumovih oksida.Predmet je od interesa za istra�ivanje jer ima ši-roku primenu u katalizama, Li-jonskim bateri-jama i detektorima. Od posebnog znaèaja sunjegove nanostrukture, kao što su nano sfere,nano šipke i nano pojasevi. Prilikom formiranjananoèestica poveæava se aktivna površina nio-bijum pentoksida, samim tim i njihova fotokata-litièka aktivnost (Zhou et al. 2008).

Fotokatalitièka degradacija je proces u komese organska jedninjenja razla�u u prisustvu svetlai poluprovodnika. Jedan od najviše korišæenih po-luprovodnika u industriji je titanijum(IV)-oksid.U poluprovodnike spada i niobijum pentoksid.

Proces razlaganje poèinje zraèenjem polu-provodnika elektromagnetnim zraèenjem kojeima energiju veæu od energetskog razmaka polu-provodnika. Tada elektroni prelaze iz valentnetrake u provodnu traku. Prilikom prelaza elek-trona u valentnoj traci ostaje pozitivno naelek-trisana šupljina (h+). Tako se stvaraju provodnielektroni i valentne šupljine. Fotodegradacija senajèešæe izvodi u vodenoj sredini, u suspenzijipoluprovodnika u vodi (Æoroviæ 2011):

1. Nb2O5 + h+ (UV) � Nb2O5(e

– + h+)2. Nb2O5(h

+) + H2O � Nb2O5 + H+ + OH•

3. Nb2O5(h+) + OH–

� Nb2O5 + OH•

4. Nb2O5(e–) + O2 � Nb2O5 + O2

5. O2•– + H+ � HO2

•

6. Organski molekul + OH• �� proizvodi degradacije

7. Organski molekul + h+ �� proizvodi oksidacije

8. Organski molekul + e– � proizvodiredukcije

Šupljine mogu reagovati sa vodom ili OH– idati OH•, dok elektroni mogu reagovati sa bojomi redukovati ih (Houas et al. 2001).

U proizvodnji poluprovodnika dopiranje sekoristi kao postupak kojim se strani joni ciljanounose u njegovu strukturu. Dopiranjem se do-bijaju nova svojstva poluprovodnika, i tako mo�eda se poboljša fotokatalitièka aktivnost (Rauf etal. 2011).

408 • PETNIÈKE SVESKE 75 DEO II

Momèilo Milosavljeviæ (1998), Klek, SpasojaSpaiæa 32, uèenik 3. razreda Zrenjaninskegimnazije

MENTORI:

Miloš Pešiæ, ISP

Ilija Bobinac, Tehnološki fakultet Univerziteta uNovom Sadu

Kristal violet je boja koja se koristi u mikro-biologiji za bojenje Gram-pozitivnih bakterija.Iako se više ne koristi kao lek, i dalje se nalazi nalisti lekova Svetke zdravstvene organizacije.Kristal violet se koristi u tekstilnoj industriji.Boja se primenjuje uglavnom u štamparskoj in-dustriji i u za izradu mastila za naliv pera. Doka-zano je da kristal violet ima toksièan efekat namiševe i pacove (Hodge et al. 1983).

U baznoj sredini kristal violet (slika 1) prela-zi u svoj karbinolni oblik (slika 2), koji je bezbo-jan, zato što hidroksilni nukleofilno napadajucentralni elektrofilan ugljenikov atom. Cilj radaje da se ispita fotokatalitièko dejstvo nanoceviniobijum pentoksida, nanocevi litijum-niobata isrebrom dopiranog niobijum pentoksida na bojukristal violet.

Materijal i metode

Sinteza nano tuba. Kao polazno jedinjenjeza sintezu nanotuba niobijum(V)-oksid koriš-æena je niobijumska kiselina. Jedna od standard-nih procedura za dobijanje niobijumske kiselineje da se niobijum pentoksid (Merck) prethodnorastvori u odgovarajuæoj kolièini fluorovodoniè-ne kiseline. Kolièina flourovodoniène kiselinezavisi od temperature na kojoj je niobijum pent-oksid dobijen. Rastvor niobijuma i fluora se po-tom razbla�i sa 50% (zapreminskih) rastvorometanola. pH rastvora se zatim podesi na 9.0 kori-steæi vodeni rastvor amonijaka. Tako se dobijabeli talog niobijumske kiseline, koji se potom fil-trira i ispira smešom vode i etanola sa ciljem dase otklone svi F-joni. Talog se zagreva na 80°Ctokom 6 sati, nakon èega se zagreva na 580°Cstepeni u peænici tokom 6 sati. Potom se hladi navazduhu do sobne temperature (Zhou et al.2008).

Sinteza nanotuba litijum-niobata. Sintezananotube litijum niobata vršena je tako što su na-notube �arene sa litijum-hidroksidom u mase-nom odnosu 11 : 1. �arenje je vršeno na 500°Ctokom 4 sata. Dobijeni katalizator je hlaðen nasobnoj temperaturi (Zielinska et al. 2013).

Dopiranje niobijum(V)-oksida. Da bi sedopirao niobijum(V)-oksid srebrom, koristi semetoda mokre impregnacije. Srebro-nitrat seprvo rastvara u vodi. U rastvor se zatim dodajeniobijum(V)-oksid. Potom se rastvor zagrevaotri sata na 80 stepeni uz mešanje. Nakon togamaterijal je sušen na 100°C tokom 10 sati, pa jezagrevan na 500°C tokom 3 sata, i zatim se hla-dio na sobnoj temperaturi. Procenat srebra koji jedodat iznosi 2%, meðtim postoji moguænost dase svo srebro nije ugradilo u niobijum(V)-oksid(Collazzo et al. 2012).

Ispitivanje fotokatalitièkog dejstva na kri-stal violetu. Prvi korak je pravljenje rastvorakristal violeta koncentracije 12 μM. Iz dobijenograstvora uzimani su uzorci od 25 mL u koje jedodavano po 0.0150 g katalizatora. Dobijenesuspenzije ozraèivane su pod UV svetlom uz me-šanje. Fotokatalitièka degradacija odvijala se podUV svetlom (Philips TUV 30W/G30 T8 UV-cHg). Èaše u kojima se odvijala fotokatalitièkadegadacija napravljene su od PYREX stakla, jerPYREX staklo ne absorbuje UV svetlo. Alikvoti

ZBORNIK RADOVA 2016 HEMIJA • 409

Slika 1. Strukturna formula boje kristal violet

Figure 1. Structural formula of crystal violet dye

Slika 2. Strukturna formula karbinolnog oblika bojekristal violet, koj se javlja u baznoj sredini

Figure 2. Structural formula of carbinol form ofcrystal violet dye, which forms in basic enviroment

su uzimani nakon 5, 10, 20, 30, 40 i 55 min odpoèetka reakcije. Alikvoti su potom centrifugi-rani na 14 500 obrtaja/min tokom 5 min i merenaim je apsorbanca.

Ispitani katalizatori su bili nanotube niobijum(V)-oksid, nanotube litijum-niobata, srebromdopiran niobijum(V)-oksid, titan(IV)-oksid iniobijum(V)-oksid. Niobijum(V)-oksid je slu�iokao kontrola, dok je titanijum(IV)-oksid koriš-æen u svrhe uporeðivanja sintetisanih kataliza-tora sa komercijalnim. Svako merenje je vršenotri puta i kao taèka na grafiku uzeta je srednjavrednost.

Karakterizacija. Korišæena je skenirajuæaelektronska mikroskopija (SEM), na ureðajuJSM-6460LV, JEOL na Prirodnomatematièkomfakultetu Univerziteta u Novom Sadu. Karakteri-zovani su nanocevi Nb2O5, nanocevi LiNbO3,Nb2O5/Ag i Nb2O5 prah iz koga su sintetisaniostali katalizatori.

Rezultati i diskusija

Karakterizacija katalizatora

Na slici 3 su prikazane SEM slike korišæenihkatalizatora. Kod litijum-niobata i nanocevi nio-

bijum(V)-oksida mo�e se primetiti prisustvonanocevi, ali one ne preovlaðuju. Velièina nanoce-vi je ista kod litijum-niobata i niobijum(V)- oksidai iznosi od 55 do 122 nm, što je u skladu sareferentim radovima (Zhou et al. 2008), a jedinarazlika je ta što u referentim radovima preovla-davaju nanocevi, dok ovde to nije sluèaj. Moguæirazlog za to je verovatno odnos etanola i vodekojim je razbla�ivana suspenzija niobijumskekiseline, jer se u referentnom radu navodi da jedobijeno više nanotuba kad je korišæen veæiprocenat etanola u smeši za razbla�ivanje. Kodniobijum(V)-oksida i niobijum(V)-oksida dopi-ranog srebrom ne primeæuje se prisustvo nano-cevi. To se poklapa sa njihovim fotokatalitièkimspobosobnostima.

Slika 4 prikazuje nanocevi litijum-niobata inanocevi niobijum(V)-oksida. Nanotube su istihdimenzija i razlika u fotokatalitièkoj aktivnostine mo�e se tra�iti u strukturi katalizatora.

Fotodegradacija kristal violeta

Zavisnost stepena degradacije od vrste ko-rišæenog katalizatora prikazana je na slici 5. Izdobijenih podataka zakljuèuje se da se kao naj-bolji katalizator u razgradnji boje pokazao liti-


Slika 3. SEM slike korišæenihkatalizatora sa uvelièanjem od50 hiljada puta

Figure 3. SEM images of usedcatalysts, magnified 50thousand times

jum niobat, potom nanotube Nb2O5 pa srebromdopiran Nb2O5. Ispitan je takoðe uticaj TiO2 ièistog Nb2O5. U sluèaju TiO2 i Nb2O5 nije došlodo promene absorbance u datim uslovima, tj. nijeizmerena degradacija boje. Razlog tome je da jekorišæeno suviše malo katalizatora po jedinicizapremine. Iz toga sledi da su sintetisani katali-zatori bolji od polaznog katalizatora i da su efi-kasniji od titanijum dioksida koji se koristi uindustriji u svrhe fotodegradacije.

Promena fotokatalitièke aktivnosti kodNb2O5/Ag u odnosu na èist niobijum(V)-oksid,upuæuje da je dopiranje uspelo, dok se iz pove-æanja fotokatalitièke aktivnosti nanocevi nio-

bijum (V)-oksida, u odnosu na nemodifikovanNb2O5, zakljuèuje da je došlo do poveæanja ak-tivne površine i stvaranje nanocevi. Razlog zapoveæanje fotokatalitièke aktivnosti kod nano-cevi litijum-niobata upuæuje da je i njihova sin-teza, takoðe uspela. Jedno od moguæih razloga jeto da je suspenzija litijum-niobata blago bazna ida je pH na površini litijum-niobata iznad taèkenultog naelektrisanja. Taèka nultog naelek-trisanja je pH vrednost na kome je površinskinaboj jednak nuli. Ako se poluprovodnik nalazi usredini koja je iznad taèke nultog naelektrisanja,imaæe negativno naelektrisanu površinu. Pošto jekristal violet katjonska boja, u vodi disosuje napozitivne jone, i stvoriæe se privlaèna sila izmeðunegativno naelektrisanog poluprovodnika i pozi-tivno naelektrisane boje. Ovaj proces doprinosiboljoj apsorpciji boje na poluprovodnik i br�edegradacije (Guilard et al. 2003) .

Drugi moguæi razlog je taj da je deo kristalvioleta prešao u karbinolni oblik, koji je bez-bojan. Dokaz za to je što se prilikom ostavljanja umraku preko noæi, rastvor kristal violeta obez-bojio. Da bi se ispitalo šta se desilo snimljen jespektar kristal violeta nakon stajanja preko noæisa litijum-niobatom.

Sa spektara prikazanih na slici 6 mo�e se za-kljuèiti da boja nije prešla u karbinolni oblik. Tose zakljuèuje na osnovu apsorpcionih maksi-muma, koji se nisu pomerili nakon stajanja umraku (uporediti krive 3 i 2). Da je boja prome-nila oblik došlo bi do pomeranja apsorpcionogpika sa 590 nm ka ni�im talasnim du�inama, štose dešava kod kristal violeta u baznoj sredini(Adams i Rosenstein 1914). Još jedan moguæirazlog je taj da je preko noæi LiNbO3 adsorbovaojedan deo boje.


Slika 4. SEM slike nanocevilitijum-niobata iniobijum(V)-oksida sauvelièanjem od 100 hiljada puta

Figure 4. SEM images of litiumniobate nanotubes andniobium(V)-oxide, magnified100 thousand times

Slika 5. Uticaj sintetisanih katalizatora na stependegradacije kristal violeta u zavisnosti od vremenaozraèivanja

Figure 5. Influence of synthesised catalysts on thedegradation of crystal violet as a function ofiridiation time

U tabeli 1 prikazan je procenat degradiraneboje nakon 55 min.

Tabela 1. Stepen degradacije za svakikatalizator nakon 55 min

Vrsta katalizatora Procenat degradacijenakon 55 min

Niobijum(V)-oksid nije primeæenapromena

Titanijum(IV)-oksid nije primeæenapromena

Litijum-niobat 45.5

Srebrom dopiranniobijum(V)-oksid

22.9

Nanotubeniobijum(V)-oksida

40.9

Zakljuèak

Kao najbolji katalizator u reakciji fotodegra-dacije kristal violeta pokazale su se nanotube liti-jum niobata. Svi sintetisani katalizatori pokazalisu se boljim i od komercijalnog TiO2 i od poèetne

supstance Nb2O5. Time se zakljuèuje da jemodifikacija dala pozitivni rezultat. Trebalo biispitati katalizatore na anjonskim bojama, da bise ispitala apsorpcija anjonskih boja na kataliza-torima, pogotovo, nano tubama litijum niobata.Potrebno je ispitati i apsorpciju anjonskih boja nakatalizatorima, i to pogotovo nano tubama liti-jum-niobata.

Literatura

Adams E. Q., Rosenstein L. W. 1914. The colour andionization of crystal violet. Journal of the Americanchemical society, 36 (7): 1452.

Collazzo G. C., Paz D. S., Jahn S. L., Carreno N. L.V., Folleto E. L. 2012. Evaluation of niobium oxidedoped with metals in photocatalytic degradation ofleather dye. Latin American applied research, 42 (1):51.

Æoroviæ M. 2011. Ispitivanje katalitièkog dejstvaZnO, SnO2 i njihovih kompozitnih smeša nafotokatalitièku degradaciju boje oran� II. Petnièkesveske, 69: 379.

Guillard C., Lachheb H. Houas A., Ksibi M., ElalouiE., Herrmann J-M. 2003. Influence of chemicalstructure of dyes, of pH and of inorganic salts ontheir photocatalytic degradation by TiO2 comparisonof the efficiency of powder and supported TiO2.Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, 158: 27.

Houas A., Lachheb H., Ksibi M., Elaloui E., GuillardC., Herrmann J-M. 2001. Photocatalytic degradationpathway of methylene blue in water. AppliedCatalysis B: Environmental, 31: 145.

Hodge H. C., Indra J., Drobeck H. P., Duprey L. P.,Tainter M. L. 1983. Acute oral toxicity ofmethylrosaniline chloride. Toxicology and AppliedPharmacology, 22 (1): 1.

Rauf M. A., Meetani M. A., Hisaindee S. 2011. Anoverview on the photocatalytic degradation of azodyes in the presence of TiO2 doped with selectivetransition metals. Desalination, 276: 13.

Zielinska B., Janus M., Kalenczuk R. J. 2013.Preparation, characterization and photocatalyticactivity of Co3O4/LiNbO3 composite. CentralEuropean Journal of Chemistry, 11 (6): 920.

Zhou Y., Quie Z., Lu M., Zhang A., Ma Q. 2008.Preparation and spectroscopic properties of Nb2O5nanorods. Journal of Luminescence, 128 (8): 1369.


Slika 6. Spektri kristal violeta pre degradacije (1),tokom degradacije (2) i nakon stajanja u mraku (3) usuzpenziji LiNbO3

Figure 6. UV/Vis spectrum of crystal violet beforedegradation (1), during degradation (2) and afterstaying in the dark (3) in a suspension of LiNbO3

Momèilo Milosavljeviæ

Synthesis of Niobium(V)-OxideNanotubes, Lithium-NiobateNanotubes and Silver DopedNiobium(V)-Oxide andDetermination of Their Influence onthe Photocatalytic Degradation ofCrystal Violet

The aim of this research was to determine theeffect of catalysts based on niobium on the pho-tocatalytic degradation of crystal violet dye.Catalysts used include niobium(V)-oxide,lithum-niobate nanotubes, silver doped niobi-um(V)-oxide and titanium(IV)-oxide. Determi-nation of photocatalytic degradation was done onan aqueous solution of crystal violet, which con-tained catalyst. The source of irradiation was UVlight. Results show that lithium-niobate is provento be the most effective catalyst in the degrada-tion of crystal violet. Data also show that all syn-thesized catalyst prove to be better in degradationthan titanium(IV)-oxide, which is currently themost commonly used for that purpose.


nanocevi litijum-niobata, · 2021. 1. 4. · dustriji i u za izradu mastila za naliv pera. Doka-zano je da kristal violet ima toksièan efekat na miševe i pacove (Hodge et al. 1983).

Documents