Eco-Friendly Synthesis of Metal Doped TiO2 Nanoparticles for Photocatalytic Application in Water Treatment

Thumbnail Image

Date

2020

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Imam Abdulrahman Bin Faisal University

Abstract

In this thesis, Nano-porous TiO2 anatase as well as metal (In & Ga) doped TiO2 anatase were Environment-Friendly prepared using Coffee Husk Extract (CHE) as bio-template instead of hazardous chemicals and solvents and ultrasonic waves. Caffeine and Caffeic acid were found to be the main compounds in CHE to modify the morphology of TiO2. The properties of as-prepared Titanium Dioxide particles were determined by different characterization techniques. The results demonstrate the formation of meso/macro-porous channel consisting of small TiO2 particles (8-10 nm). The as prepared green nanoparticles exhibited improved photocatalytic activity for the degradation of organic water pollutants with good recyclability. The enhancement in efficiency of green Nanoporous TiO2 can be attributed to higher surface area and the presence of more active adsorption sites inside the pores. In addition, the antimicrobial activity of the green TiO2 nanoparticles has been evaluated for disinfection of E-coli. The as prepared green Nanoporous TiO2 has shown 99.1 % efficiency for E-Coli disinfection.Upon Indium and Gallium doping of TiO2 nanoparticles, the photocatalytic activity for degradation of MB, phenol and Pb2+ ions reduction was further improved. This improvement has been readily linked to the fact that, upon doping new trapping locations are added that affect the durability of the charging carriers by separating the time of arrival of the photogenerated electrons and holes entering the layer of the photocatalyst, thus reducing the recombination of electron – hole pair.Interestingly, photocatalytic behavior was dramatically enhanced by adding a small portion of 0.5 % of dopants. A further increase in the doped concentration decreases the photocatalytic activity. An improvement in photocatalytic activity of 0.5 % can be attributed to the absorption the photoexcited electrons by dopant species leading to division of charge carrier, thereby helping to improve photocatalytic operation. By increasing dopant amount, the accumulation of the dopant can cover part of the TiO2 surface, reducing the number of surface-active sites and thus the photocatalytic activity.Moreover, the antibacterial activity of In and Ga doped TiO2 nanoparticles reached 100 %. The enhancement of the antibacterial activity against the gram-negative Bacteria E-Coli is readily attributed to the fact that, In and Ga doped TiO2 samples are associated with increasing negative zeta potential up to -29.3 mV compared with less negative value of the undoped TiO2 nanoparticles (-9.85 mV), due to increasing surface hydroxyl group. Since the6bacterial disinfection mechanism in the presence of nanoparticles based on the interaction of the TiO2 surface ions with the bacterial cell walls cause the damage the cell walls, followed by increasing membrane permeability leading to loss of the proton motive force and outflow of intracellular components. Thus, increasing surface hydroxyl group upon doping leading to increasing bacterial disinfection. It is believed that, the current research provides low cost and safe and eco-friendly way to produce efficient photocatalyst and antimicrobial agent for remediation of polluted water

Description

أصبحت تطبيقات الحفز الضوئي التي تستخدم الإشعاع الشمسي والمواد النانوية المستندة إلى ثاني أكسيد التيتانيوم ) 2TiO )لمعالجة المياه مجا ا لً واعدا خلال العقود الماضية. ومع ذلك، المحفز الضوئي 2TiO لديه بعض العيوب، وهي امتصاصضوئي محدود وإعادة تركيب سريع لزوج )الكترون الفجوه(. تم وضع اساليب مختلفة لتحسين الأداء التحفيزي للمواد –النانوية 2TiO ، بما في ذلك تعديل التشكل، الًقتران مع أشباه الموصلات الأخرى، الًقتران مع الجسيمات النانويةالكربونية، إدخال التأثير التآزري المعتمد على الطور، باستخدام التحسس الصبغي، تحميل المعادن، والتطعيم بالفلزات أواللافلزات .تحسين تشكل جزيئات 2TiO يمكن أن يعزز من أداء التحفيز الضوئي إلى حد كبير. حيث تحتوي المواد المسامية علىمساحة سطح كبيره والتي يمكن أن توفر زيادة القدرة على تحميل وامتزاز الملوثات. هناك العديد من الطرق لتحضير2iOT المسامي بما في ذلك الطرق الفيزيائية والكيميائية. ومع ذلك، تتطلب هذه الأساليب طاقة عالية واستخدام موادوقوالب كيميائية ومذيبات خطره. التحضير الأخضر للمواد النانوية 2TiO هو طريق بديل للطرق الفيزيائية والكيميائيةالتي تؤدي إلى منتجات صديقة للبيئة بسبب استخدام المواد الغير سامة، ولً تتطلب درجات حرارة وضغط عالية، كما أنهاأقل كلفة .ركز العمل الوارد في هذه الأطروحة على تحضير المواد النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم بخصائص معدلة باستخدام طريقةصديقة للبيئة. تم استخدام مستخلص قشر القهوة (CHE) لإعداد المواد النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم ) 2(TiO مع التشكيلالمعدل في غياب المذيبات العضوية أو القالب الكيميائي. ايضا، تم تحسين خصائص المواد النانوية 2TiO عن طريقالتطعيم باستخدام المعادن الًنتقالية بما في ذلك الجاليوم والإنديوم.هذه الرسالة مقسمة إلى ثلاثة فصول. الفصل الأول يكشف بعض الًعتبارات النظرية الأساسية للمواضيع المختلفة المتعلقةبهذا العمل. تم توجيه الًنتباه إلى خواص أكاسيد المعادن لأشباه الموصلات، خصيصا ثاني أكسيد التيتانيوم وطرقالتحضير. تم التركيز على الأساليب الخضراء المستخدمة في تحضير 2TiO .يصف الفصل الثاني الطريقة التجريبية بما في ذلك التحضير الأخضر لجزيئات 2TiO والجسيمات النانوية 2TiO المطعمةبالمعدن، وتقنيات التوصيف المستخدمة في تقييم خصائص المواد النانوية المركبة وأخيراا الوصف التجريبي لنشاط التحفيزالضوئي وقياس النشاط المضاد للميكروبات.يعرض الفصل الثالث من هذه الأطروحة ويناقش نتائج التحضير الصديق للبيئة ل 2TiO والجسيمات النانوية 2TiOالمطعمة بالمعدن ) In & Ga ( بما في ذلك التوصيف والأداء التحفيزي لتتفكك الميثيلين الأزرق ) MB (، وتحلل الفينولوكذلك الًختزال الضوئي لأيونات المعادن السامه ) +2Pb ( وأخيرا النشاط المضاد للجراثيم ضد E. Coli .في هذه الأطروحة، 2TiO المسامي وكذلك 2TiO المسامي و ال م طعم بمعدن الإنديوم والجاليوم من طور اناتاز صديقانللبيئة تم تحضيرهما باستخدام مستخلص قشر القهوة (CHE) بدلًا من المواد الكيميائية والمذيبات الخطرة والموجات فوقالصوتية. تم التعرف على الكافيين وحمض الكافيين كمركبات رئيسية في CHE لتعديل تشكل 2TiO . تم تحديد خصائص8جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم المحضرة بتقنيات توصيف مختلفة. توضح النتائج تشكيل قنوات ميزو / ماكرو مسامية -تتكون من جزيئات 2TiO ذات الحجم الصغير ) 8 - 10 نانومتر(.أظهرت الجسيمات النانوية الخضراء المحضرة كنشاط حفاز ضوئي محسّن لتحلل ملوثات المياه العضوية ذات قابلية جيدةلإعادة التدوير. يعزى تحسين فعالية الجسيمات النانويه 2TiO المسامية المحضرة بطريقة خضراء إلى ارتفاع مساحةالسطح ووجود مواقع امتصاص أكثر نشا ا طا داخل المسام. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم نشاط مضادات الميكروبات منالجسيمات النانوية 2TiO الخضراء لتطهير E. Coli . لقد أظهرت الجسيمات النانويه من 2TiO المسامي المحضر بطريقةخضراء كفاءة بنسبة 99.1 ٪ في تطهير E. Coli .بالنسبة لجسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم المطعمة بمعدن الإنديوم والجاليوم، تم تحسين نشاط التحفيز الضوئي لتحلل الميثيلينالأزرق والفينول واختزال ايونات الرصاص ) +2Pb ( بنسبة كبيرة. ارتبط هذا التحسين بحقيقة أنه عند إضافة المشوب يتمإضافة أماكن ملائمة جديدة تؤثر على كفاءة حاملات الشحنات عن طريق تأخر وقت وصول الإلكترونات المولدة بالضوءوالفجوات، مما يقلل من إعادة التركيب زوج )الكترون فجوة(. -ومن المثير للاهتمام، تم تحسين سلوك التحفيز الضوئي بشكل كبير بواسطة أكسيد التيتانيوم المطعم بنسبة 0.5 % كما أنزيادة أخرى في تركيز المشوبات يقلل من نشاط التحفيز الضوئي. يمكن أن ي عزى التحسين في نشاط التحفيز الضوئيبنسبة 0.5 % إلى أن الجزيئات المطعمة تمتص الإلكترونات المتولدة ضوئياا ثم تنقلها إلى جزيئات الأكسجين في أكسيدالتيتانيوم. تسمح إضافة المطعمات بمنع إعادة تكوين الإلكترون الفجوة المولدة ضوئياا، مما يساعد على تحسين عملية -التحفيز الضوئي. ومع زيادة كمية المطعمات، يغطي تراكم المطعم جز ا ءا من السطح، مما يقلل من عدد المواقع النشطةعلى السطح. وبالتالي، يقل التحلل الضوئي .علاوة على ذلك، فإن النشاط المضاد للبكتيريا في الجسيمات النانوية المطعمة بمعدن الإنديوم والجاليوم وصل إلى 100 .٪مما ي عزى الى إن التطعيم بمعدن الإنديوم والجاليوم مرتبط بزيادة سلبية في جهد زيتا تصل إلى ) - 29.3 مللي فولت ( مقارنةمع القيمة السلبية الأقل من 2TiO النانوية )- 9.85 مللي فولت(، بسبب زيادة مجموعة الهيدروكسيل السطحية. وبما أن آليةالتطهير البكتيري في وجود جسيمات متناهية الصغر تعتمد على تفاعلات الأيونات المتواجدة على سطح 2TiO مع جدرانالخلايا البكتيرية، فإنها تتسبب في تلف جدران الخلية، تليها زيادة نفاذية الغشاء مما يؤدي لفقدان القوة الدافعة للبروتونوتدفق المكونات داخل الخلايا. وبالتالي، زيادة مجموعة هيدروكسيل السطح لدى المنشطات مما يؤدي إلى زيادة التطهيرالبكتيري. يعتقد أن البحث الحالي يوفر وسيلة منخفضة التكلفة وآمنة وصديقة للبيئة لإنتاج محفز ضوئي فعال وعامل مضادللميكروبات لمعالجة المياه الملوثة.

Keywords

Nanoporous TiO2 anatase, In-TiO2, Ga-TiO2, photocatalysis, methylene blue, phenol, antimicrobial agent, E-Coli

Citation

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By

Copyright owned by the Saudi Digital Library (SDL) © 2025