Ex-situ modification of nanostructured hydroxyapatite by colloidal CdS particles

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The article discusses the possibility of obtaining functional composite materials with pronounced photocatalytic properties. A hybrid composite material based on nanoscale cadmium sulfide fixed on a matrix of hydroxyapatite obtained by precipitation from solution has been developed. The initial components and synthesized samples were certified using some modern physico-chemical analysis methods: X-ray phase analysis, energy dispersive X-ray analysis, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, the Brunauer-Emmett-Teller method. The functional characteristics of the developed composite material Ca 10( PO 4)6( OH )2- CdS , in particular, the photocatalytic activity under the action of ultraviolet or visible radiation, are investigated. The efficiency of using the developed composite material as a photocatalyst was evaluated by the rate of oxidation of p-dihydroxybenzene (hydroquinone). Based on experimental data obtained, the values of the constants of the reaction rate of photocatalytic oxidation of hydroquinone and the time of its half-conversion under various conditions (radiation, the presence of a catalyst) are calculated. It is proved that the developed composite material, which is a hydroxyapatite modified with colloidal CdS particles, has pronounced catalytic properties and is a promising material for use as a photocatalyst. A patent application has been filed for the developed composite material.

Sobre autores

Natal'ya Kozhevnikova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of inorganic synthesis, Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS, lecturer at Physical and colloid chemistry department of Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Ekaterina Bogdanova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS; JSC «Giredmet»

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry, Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS, Leading Researcher, Laboratory of electrochemical devices for hydrogen energy, JSC «Giredmet»

Vladimir Skachkov

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Email: skachkov@ihim.uran.ru
Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry

Inna Baklanova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of quantum chemistry and spectroscopy named after A.L. Ivanovsky

Alexandr Tyutyunnik

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Head of the Laboratory of structural and phase analysis

Larisa Buldakova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of physical-chemical methods of analysis

Mikhail Yanchenko

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of physical-chemical methods of analysis

Anton Yushkov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Ph. D., Researcher at the Department of Magnetism of Solids at the Institute of Natural Sciences and Mathematics of the Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Bibliografia

  1. Yepseu, A.P. Hot injection synthesis of CuS decorated CdS and ZnS nanomaterials from metal thiosemicarbazone complexes as single source precursors: Application in the photocatalytic degradation of methylene blue / A.P. Yepseu, L.E.T Ngoudjou, G.A. Tigwere et al. // Inorganic Chemistry Communications. - 2024. - V. 166. - Art. № 112650. - 10 p. doi: 10.1016/j.inoche.2024.112650.
  2. Alrababah, Y.M. Wurtzite CdS ratio tunability on α-Fe2O3/CdS synergistic heterostructure for enhanced UV-induced photocatalytic decomposition of rhodamine 6G dye pollutant / Y.M. Alrababah, C.K. Sheng // Alexandria Engineering Journal. - 2024. - V. 100. - P. 300-311. doi: 10.1016/j.aej.2024.05.050.
  3. Raju, A.G. Fabrication of a heterostructure composite with CuO and FeS2 as efficient photocatalyst for decolourisation of brilliant green / A.G. Raju, B.D. Rao, G. Himabindu, S.M. Botsa // Journal of Materials Research and Technology. - 2022. - V. 17. - P. 2648-2656. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.01.166.
  4. Zgura, I. Cytotoxicity, antioxidant, antibacterial, and photocatalytic activities of ZnO-CdS powders / I. Zgura, N. Preda, M. Enculescu et al. // Materials. - 2020. - V. 13. - I. 1. - Art. № 182. - 17 p. doi: 10.3390/ma13010182.
  5. Pouretedal, H.R. Characterization and photocatalytic activity of ZnO, ZnS, ZnO/ZnS, CdO, CdS and CdO/CdS nanoparticles in mesoporous SBA-15 / H.R. Pouretedal, S. Basati // Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. - 2015. - V. 34. - I. 1. - P. 11-19. doi: 10.30492/ijcce.2015.12617.
  6. Aziz, N.A.B. Impact of CuO loading for enhanced photocatalytic performance of CdS/CuO photocatalyst on rhodamine 6G dye decomposition under ultraviolet irradiation / N.A.B. Aziz, C.K. Sheng // Materials Letters. - 2023. - V. 47. - Art. № 134589. - 4 p. doi: 10.1016/j.matlet.2023.134589.
  7. Khan, M.D. Designing of visible light active composites of CuS and ZnO for improved photocatalytic performance under solar light irradiation / M.D. Khan, M.H. Farooq, F. Iqra, A. Zulfiqar, M. Rizwan // Optik. - 2022. - V. 271. - Art. № 170147. - 9 p. doi: 10.1016/j.ijleo.2022.170147.
  8. Weldegebrieal, G.K. Photocatalytic activity of biosynthesized α-Fe2O3 nanoparticles for the degradation of methylene blue and methyl orange dyes / G.K. Weldegebrieal, A.K. Sibhatu // Optik. - 2021. - V. 241. - Art. № 167226. - 15 p. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167226.
  9. Huang, W. Characterization of structural, optical and photocatalytic properties of yttrium modified hematite (α-Fe2O3) nanocatalyst / W. Huang, X. Lu, D. Jia et al. // Ceramics International. - 2023. - V. 49. - I. 15. - P. 25602-25611. doi: 10.1016/j.ceramint.2023.05.101.
  10. Hwang, I.S. Hydrogen-treated TiO2 nanorods decorated with bimetallic Pd-Co nanoparticles for photocatalytic degradation of organic pollutants and bacterial inactivation / I.S. Hwang, V. Manikandan, R.P. Patil // ACS Applied Nano Materials. - 2023. - V. 6. - I. 3. - P. 1562-1572. doi: 10.1021/acsanm.2c04160.
  11. Duan, X. Photocatalytic degradation of VOC waste gas in petrochemical sewage fields / X. Duan, Y. Qian, J. Wu et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2022. - V. 61. - I. 51. - P. 18676-18684. doi: 10.1021/acs.iecr.2c03272.
  12. Sharmin, F. Highly efficient photocatalytic degradation of hazardous industrial and pharmaceutical pollutants using gadolinium doped BiFeO3 nanoparticles / F. Sharmin, M.A. Basith // Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - V. 901. - I. 65. - Art. № 163604. - 12 p. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.163604.
  13. Bora, L.V. Solar photocatalytic pathogenic disinfection: fundamentals to state-of-the-art / L.V. Bora // Water Science and Engineering. - 2022. - V. 16. - I. 2. - P. 132-142. doi: 10.1016/j.wse.2022.12.005.
  14. Hossain, Md.S. Exploration of photo-catalytic activity of nano-hydroxyapatite based on the crystallographic parameters: Estimation of crystallite size using X-ray diffraction data/ Md. S. Hossain, S. Sarkar, S. Tarannum et al. // Journal of Saudi Chemical Society. - 2023. - V. 27 - I. 6. - Art. № 101769. - 13 p. doi: 10.1016/j.jscs.2023.101769.
  15. Singh, H. Formation of magnetite-based ceramic materials and their photocatalytic applications / H. Singh, A. Bokare, A. Kumar et al. // In book: Advanced Ceramics for Versatile Interdisciplinary Applications (Elsevier Series on Advanced Ceramic Materials). - 2022. - Chapter 6. - P. 115-146. doi: 10.1016/B978-0-323-89952-9.00016-6.
  16. Liu, Y. Metal or metal-containing nanoparticle@MOF nanocomposites as a promising type of photocatalyst / Y. Liu, Z. Liu, D. Huang et al. // Coordination Chemistry Reviews. - 2019. - V. 388. - P. 63-78. doi: 10.1016/j.ccr.2019.02.031.
  17. Aziz, N.A. Water remediation capability of cubic-phase CdS nanoparticles as photocatalyst on photodegradation of aqueous Rhodamine 6G dye under UV irradiation / N.A. Aziz, C.K. Sheng, H.J. Jie // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. - 2023. - V. 18. - I. 1. - P. 203-210. doi: 10.15251/DJNB.2023.181.203.
  18. Sheng, C.K. Annealing temperature-dependent CdS phase tunability in improving photocatalytic efficiency towards aquatic dye decomposition / C.K. Sheng, N.A.B. Aziz, Y.M. Alrababah // Results in Materials. - 2023. - V. 19. - Art. № 100445. - 6 p. doi: 10.1016/j.rinma.2023.100445.
  19. Sheng, C.K. pH-induced wurtzite-zinc blende heterogeneous phase formation, optical properties tuning and thermal stability improvement of green synthesized CdS nanoparticles / C.K. Sheng, Y.M. Alrababah // Heliyon. - 2023. - V. 9. - Art. № e15908. - 10 p. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e15908.
  20. Rempel, A.A. Structure of cadmium sulfide nanoparticle micelle in aqueous olutions / A.A. Rempel, N.S. Kozhevnikova, S.V. Rempel // Russian Chemical Bulletin. - 2013. - V. 62. - I. 2. - P. 398-402 doi: 10.1007/s11172-013-0052-y.
  21. Kozhevnikova, N.S. Cadmium sulfide nanoparticles prepared by chemical bath deposition / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Uritskaya // Russian Chemical Reviews. - 2015. - V. 84. - I. 3. - P. 225-250. doi: 10.1070/rcr4452.
  22. Vorokh, A.S. Mechanism of the formationof photosensitive nanostructured TiO2 whith low content CdS nanoparticles / A.S. Vorokh, N.S. Kozhevnikova, I.V. Baklanova et al. // Doklady Physical Chemistry. - 2016. - V. 467. - I. 2. - P. 56-59. doi: 10.1134/S0012501616040059.
  23. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. - М.: Наука, 2006. - 204 с.
  24. Velisoju, V.K. Selective hydrogenation and dehydrogenation using hydroxyapatite-based catalysts / V.K. Velisoju, H.P. Aytam, V. Akula // In book: Design and Applications of Hydroxyapatite-Based Catalysts. Weinheim: Wiley-VCH, 2022. - Chapter 7. - P. 241-268. doi: 10.1002/9783527830190.ch7.
  25. Nasr-Esfahani, M. Alumina/TiO2/hydroxyapatite interface nanostructure composite filters as efficient photocatalysts for the purification of air / M. Nasr-Esfahani, S. Fekri // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. - 2012. - V. 107. - I. 1. - P. 89-103. doi: 10.1007/s11144-012-0457-x.
  26. Navarro-Jaén, S. Evaluation of the oxygen mobility in CePO4-supported catalysts: mechanistic implications on the water-gas shift reaction / S. Navarro-Jaén, L.F. Bobadilla, F. Romero-Sarria, O.H. Laguna, N. Bion, J.A. Odriozola // Journal of Physical Chemistry C. - 2020. - V. 124. - I. 30. - P. 16391-16401. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c03649.
  27. Tawfik, A. Graphene/hydroxyapatite nano-composite for enhancement of hydrogen productivity from delignified duckweed / A. Tawfik, X. Tan, M. Elsamadony et al. // Fuel. - 2022. - V. 330. - Art. № 125537. - 12 p. doi: 10.1016/j.fuel.2022.125537.
  28. Trung, T.S. Valorization of fish and shrimp wastes to nano-hydroxyapatite/chitosan biocomposite for wastewater treatment / T.S. Trung, N.C. Minh, H.N. Cuong et al. // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. - 2022. - V. 7. - I. 4. - Art. № 100485. - 9 p. doi: 10.1016/j.jsamd.2022.100485.
  29. Piccirillo, C. Calcium hydroxyapatite-based photocatalysts for environment remediation: characteristics, performances and future perspectives / C. Piccirillo, P.M.L. Castro // Journal of Environmental Management. - 2017. - V. 193. - P. 79-91. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.01.071.
  30. Sahoo, S.K. Organic-inorganic hybrid hydroquinone bridged V-CdS/HAP/Pd-TCPP: A novel visible light active photocatalyst for phenol degradation / S.K. Sahoo, A.A. Das, D. Deka, B. Naik, N.K. Sahoo // Journal of Molecular Liquids. - 2021. - V. 339. - Art. № 116721. - 12 p. doi: 10.1016/j.molliq.2021.116721.
  31. Yan, T. Self-sacrificing template synthesis of CdS quantum dots/Cd-Hap composite photocatalysts for excellent H2 production under visible light / T. Yan, N. Li, Z. Jiang et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2018. - V. 43. - I. 45. - P. 20616-20626. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.093.
  32. Xiaofang, L. Hollow hydroxyapatite microspheres modified by CdS nanoparticles for efficiently photocatalytic degradation of tetracycline / L. Xiaofang, X. Tianhong, Y. Weifeng, W. Qiang, Z. Rongjiang // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. - 2020. - V. 106. - P. 148-158. doi: 10.1016/j.jtice.2019.10.023.
  33. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. - 5 с.
  34. Пат. 2652193 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии апатита / Богданова Е.А., Сабирзянов Н.А., Скачков В.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2017113484; заявл. 19.04.17; опубл. 25.04.18, Бюл. № 12. - 5 с.
  35. Kozhevnikova, N.S. Preparation of stable colloidal solution of cadmium sulfide CdS using ethylendiaminetetraacetic acid / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Rempel' // Russian Journal of General Chemistry. - 2010. - V. 80. - I. 3. - P. 391-394. doi: 10.1134/S1070363210030035.
  36. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. - 2020. - V. 2. - I. 9. - Art. № 1565. - 7 p. doi: 10.1007/s42452-020-03388-5.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».