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환경과학

環境修復における抗生物質の分解に対する光触媒の性能を評価するための完全な方法

Published: October 06, 2022
doi:
10.3791/64478
, , , , , , ,
1School of Chemical Engineering,Northwest University

Summary

ここでは、フタロシアニン感作リン酸銀複合材料による水中からの抗生物質有機汚染物質分子の光触媒除去の例を使用して、環境浄化の分野における光触媒の包括的な実験室評価のための普遍的な一連の実験手順を探求するためのプロトコルを紹介します。

Abstract

テトラサイクリン、オーレオマイシン、アモキシシリン、レボフロキサシンなどのさまざまな抗生物質が地下水や土壌システムに大量に見られ、耐性菌や多剤耐性菌の発生につながる可能性があり、人間、動物、環境システムに脅威をもたらします。光触媒技術は、太陽エネルギーを迅速かつ安定的に処理し、直接利用することで大きな関心を集めています。しかし、水中の有機汚染物質の光触媒分解のための半導体触媒の性能を評価するほとんどの研究は、現在不完全である。この論文では、半導体触媒の光触媒性能を包括的に評価するために、完全な実験プロトコルを設計します。ここで、菱形十二面体リン酸銀は、室温常圧での簡易溶媒相合成法により調製した。Brサブフタロシアニン/Ag3PO4ヘテロ接合材料はソルボサーマル法により調製した。テトラサイクリンの分解に対する調製時の材料の触媒性能は、模擬太陽光源として300Wキセノンランプを使用し、350mW / cm2の光強度を使用して、触媒投与量、温度、pH、および大気圧での陰イオンなどのさまざまな影響要因を研究することによって評価されました。最初のサイクルと比較して、構築されたBrSubphthalocyanin/Ag3PO4は、5回の光触媒サイクル後に元の光触媒活性の82.0%を維持しましたが、元のAg3PO4は28.6%しか維持しませんでした。リン酸銀サンプルの安定性は、5サイクル実験によってさらにテストされました。本稿では、実用化の可能性がある半導体触媒を開発するために、実験室で半導体触媒の触媒性能を評価するための完全なプロセスを提供します。

Introduction

テトラサイクリン(TC)は、細菌感染に対する効果的な保護を提供する一般的な抗生物質であり、畜産、水産養殖、および疾病予防に広く使用されています1,2。それらは、過去数十年間の過剰使用と不適切な使用、ならびに産業廃水の排出のために、水中に広く分布しています3。これは深刻な環境汚染と人間の健康への深刻なリスクを引き起こしました。例えば、水性環境におけるTCの過剰な存在は、微生物群集の分布および細菌耐性に悪影響を及ぼし、主に抗生物質の高度に親水性および生物蓄積性、ならびに一定レベルの生物活性および安定性のために、生態学的不均衡をもたらす可能性がある4,5,6.環境中のTCの超安定性のために、自然に分解することは困難です。したがって、生物学的、物理化学的、および化学的処理を含む多くの方法が開発されてきた7、8、9。生物学的処理は非常に効率的で低コストです10,11。しかし、それらは微生物に対して有毒であるため、水中の抗生物質分子を効果的に分解および石灰化しません12。物理化学的方法は廃水から直接かつ迅速に抗生物質を除去することができるが、この方法は抗生物質分子を液相から固相に変換するだけであり、それらを完全に分解することはなく、コストがかかりすぎる13。

従来の方法とは対照的に、半導体光触媒は、その効率的な触媒分解特性により、過去数十年にわたって汚染物質の分解に広く使用されてきました14。例えば、Liらの貴金属フリー磁性FexMny触媒は、酸化剤を使用せずに水中の様々な抗生物質分子の効率的な光触媒酸化を達成した15。Yanらは、水からのフェノール汚染物質の効率的な光触媒除去を達成するために、廃バイオマス由来炭素上でユリのようなNiCo2O4ナノシートをその場で合成することを報告した16。この技術は、光によって励起された半導体触媒に依存して、光生成電子(e–)と正孔(h+)を生成します17。光生成されたe–およびh+は、吸収されたO2およびH 2 Oと反応することにより、スーパーオキシドアニオンラジカル(O 2-)またはヒドロキシルラジカル(OH –)に変換され、これらの酸化活性種は水中の有機汚染物質分子を酸化および分解します CO 2 およびH 2Oおよびその他のより小さな有機分子18,19,20.しかし、光触媒の性能評価には統一された現場基準はありません。材料の光触媒性能の評価は、触媒調製プロセス、最適な触媒性能のための環境条件、触媒リサイクル性能などの観点から検討する必要があります。Ag3PO 4は、その顕著な光触媒能力により、環境修復に大きな懸念を引き起こしました。この新しい光触媒は、420nmを超える波長で最大90%の量子効率を達成し、これは以前に報告された値21よりも大幅に高い。しかしながら、Ag3PO4の激しい光腐食および不十分な電子正孔分離速度は、その広い用途を制限する22。したがって、形状最適化23、イオンドーピング24、およびヘテロ構造構築25、26、27など、これらの欠点を克服するための様々な試みがなされている。この論文では、Ag3PO4を形態制御とヘテロ接合工学を使用して修飾しました。まず、高表面エネルギーを有する菱形十二面体Ag3PO4結晶を、常圧下で室温で溶媒相合成により調製した。次に、電子受容体と電子供与体の両方として作用し得る有機超分子BrSubphthalocyanin(BrSubPc)を、ソルボサーマル法によりリン酸銀表面に自己組織化した28,29,30,31,32,33,34,35.調製した材料の光触媒性能は、水中の微量テトラサイクリンを分解する調製試料の光触媒性能に対するさまざまな環境要因の影響を調べることによって評価されました。本稿は、光触媒材料の光触媒性能を体系的に評価するための参考資料であり、今後の環境修復への実用化に向けた光触媒材料の開発に意義がある。

Protocol

1. BrSubPc の準備 注:BrSubPCサンプルは、以前に公開された研究36に従って調製されました。反応は複列管真空ラインシステムで行われ、反応プロセスは無水および無酸素条件下で厳密に制御されます。 原料の前処理2 gのo-ジシアノベンゼンを計量し、真空オーブンで24時間乾燥させ、取り出してから、瑪瑙乳鉢で慎重に粉砕します?…

Representative Results

菱形十二面体Ag3PO4は、この溶媒相合成法を用いて首尾よく合成された。これは、図1A、Bに示すSEM画像によって確認されます。SEM分析によると、菱形十二面体構造の平均直径は2〜3μmであることがわかりました。手付かずのBrSubPc微結晶は、大きな不規則なフレーク構造を示します(図1C)。複合サンプルでは、二酸化チタン…

Discussion

本稿では、触媒の調製、光触媒に影響を与える要因の調査、触媒リサイクルの性能など、光触媒材料の触媒性能を評価するための完全な方法論を提示します。この評価方法は普遍的であり、すべての光触媒材料性能評価に適用できます。

材料調製方法に関しては、異なる前駆体21、22を用いた菱形十二面体Ag3PO4の調製に…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、中国国家自然科学基金会(21606180)および陝西省自然科学基礎研究プログラム(プログラム番号2019JM-589)の支援を受けました。

Materials

300 W xenon lamp CeauLight CEL-HXF300
AgNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7783-99-5
Air Pump Samson Group Co. ACO-001
BBr3 Bailingwei Technology Co., Ltd. 10294-33-4
Constant temperature circulating water bath Beijing Changliu Scientific Instruments Co. HX-105
Dichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 75-09-2
Ethanol Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 64-17-5
Fourier-transform infrared Bruker Vector002
Hexane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 110-54-3
HNO3 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 7697-37-2
ICP-OES Aglient 5110
K2HPO4 Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 16788-57-1
Magnesium Sulfate Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 10034-99-8
Methanol Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-56-1
NaOH Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd. 1310-73-2
NH4NO3 Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 6484-52-2
o-dichlorobenzene Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd. 95-50-1
o-dicyanobenzene Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. 91-15-6
Scanning electron microscopy JEOL JSM-6390
Trichloromethane Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd. 67-66-3
Ultraviolet-visible Spectrophotometer Shimadzu UV-3600
X-ray diffractometer Rigaku D/max-IIIA
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Keywords: Photocatalyst Performance EvaluationSemiconductor CatalystsEnvironmental RemediationAmmonium NitrateSilver PhosphateBromine SubphthalocyanineCatalyst SynthesisCatalyst Characterization
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Wang, B., Zhang, X., Li, L., Ji, M., Zheng, Z., Shi, C., Li, Z., Hao, H. A Complete Method for Evaluating the Performance of Photocatalysts for the Degradation of Antibiotics in Environmental Remediation. J. Vis. Exp. (188), e64478, doi:10.3791/64478 (2022).
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