Investigation of the Photocatalytic Behavior of Indium Oxide on Methylene Blue and Methylene Orange Organic Dye

(1)

1

ب نر یوررب مویدنیا دیسکا یتسیلاتاکوتف راتفر یسرر گ

یاه و یبآ نلیتم یلآ

یجنران نلیتم

یرخف ادیش

*1

داژن یردب ادیل ، قردنلاک نایزیزع راشای ،1

و1 2

نف هدکشناد ،یسدنهم مولع هورگ ناریا ،نیمن ،نیمن نیون یاه یروآ

1

،یلیبدرا ققحم هاگشناد ،هیاپ مولع هدکشناد ،کیزیف هورگ ناریا ،لیبدرا

2

[email protected]

Email:

هدیکچ

(مویدنیا دیسکا یاهراتخاس ونان : In2O3

گنر ندرب نیب زا یارب نآ یتسیلاتاکوتف صاوخ و دندش هیهت هاگشیامزآ رد توصارف جاوما شور هب) یلآ یاه

هتفرگ رارق هعلاطم دروم هدنیلاآ هنومن نیا سکیا یوترپ شارپ یبای هصخشم .تسا

هدنهد ناشن هدش هیهت یاه کمک هب .تسا مویدنیادیسکا هب طوبرم یاه هلق ی

شفنبارف رون یوترپ یبای هصخشم -

دیسکا مویدنیا یراون فاگ ،یئرم ریواصت نینچمه .تسین راظتنا زا رود هدام نیا یارب هک تسا هدش هبساحم تلو نورتکلا4

ورکیم هرذ ندوب یوریاد حوضو هب یشبور ینورتکلا پوکس یم ناشن ار اه

هتسباو هدولآ لولحم ندوب یزاب ای و یدیسا هب تدش هب هدام نیا یتسیلاتاکوتف صاوخ .دهد

.تسا هتشاد لابند هب ار جیاتن نیرتهب یدیسا طیحم یجنران نلیتم یارب و یزاب طیحم یبآ نلیتم یارب هک یروط هب تسا

هژاو دیلک

.یزاب ،یدیسا ،یتسیلاتاکوتف صاوخ ،توصارف جاوما ،دیسکا مویدنیا:

Investigation of the Photocatalytic Behavior of Indium Oxide on Methylene Blue and Methylene Orange Organic Dye

Sheida Fakhri^{1,2, *}, Yashar Azizian-kalandaragh², Lida Badri-nezhad

1Department of Engineering Sciences, Sabalan University of Advanced Technologies (SUAT), Namin, Iran

2Department of Physics, University of Mohaghegh Ardabili, Namin, Iran

*

Email: [email protected]

Abstract – Indium oxide (In2O3) nanstucture were prepared by ultrasound technique in the laboratory and its photocatalytic properties were studied to remove organic dyes.

Characterization of X-ray diffraction of prepared samples shows the In2O3 peaks. By ultraviolet light spectroscopy, band gap of indium oxide calculated about 4 electron volts which is not expected for this substance. Also, scanning electron microscopy images clearly show the circularity of the particles. The photocatalytic properties of this substance depend on the pH of the solution, which has the best results for the methylene blue have been achieved in high pH and for the methylene orange in acid environment.

Keywords: Indium oxide, Ultrasound, photocatalytic properties, Acidity, high pH.

(2)

2

- 1 همدقم

رد یمهم داوم یزلف یاهدیسکا [ دنتسه داوم مولع و کیزیف ،یمیش دننام مولع زا یرایسب

، 1 قیاع ای یداه همین ،زلف دناوت یم داوم نیا .] 2

راجفنا یارب اه ششوپ ،اهروسنس ،کیرتکلاوزیپ یاه هاگتسد ،کینورتکلا ورکیم یاهرادم ،یتخوس یاه لولس دیلوت رد یدیسکا داوم زا .دشاب سا اهروزیلاتاک و یگدروخ دض حوطس یم هدافت

یم رارق هدافتسا دروم و هتفای شرتسگ ناهج رد تعرس هب نآ یدربراک و ونان یروانف .دوش .دریگ

هژیو صاوخ اب تارذونان ای اهراتخاسونان ناوت یم ،نآ زا هدافتسا اب ،نیاربانب [ دنشاب داوم هدوت تلاح توافتم هک تخاس یا

3 - 6 دیسکا تارذونان .]

دنتسه لااب مکارت یاراد 7 [

یم رارق هدافتسا دروم یتسیلاتاکوتف تیلاعف رد یزلف دیسکا تارذونان زا یرایسب و]

دننام دنریگ [8]TiO2

،

ZnO ] 9 ، [ SnO

2

] 10 .هریغ و [

رپ لاماک لاتیبروا اب تارذ ونان داوم ،یزلف دیسکا تارذونان نایم رد d

10

یتسیلاتاکوتوف دیدج داوم ناونع هب ار ناققحم هجوت ، لج دوخ هب

هدرک ب

[ تسا ، 11 بیکرت یگزات هب .] 12 دننام مویدنیا دیسکا یاه

(ZnO) O

3

In

2

(M = Sr, Ca, Br ( ، O

4

MIn

2

مویدنیا و

یم هدافتسا بآ یزاس کاپ رد دیناتنلا هب هدش هدییلاآ دیسکا [دنوش

، 13 .] 14

O

3

In

2

( یلپورته و heteropoly acids

ب هک دنتسه هباشم رایسب یتسیلاتاکوتف یاهدیسا ) یگژیو لیلد ه

یکینورتکلا یاه نآ

اه

[ تسا کرتشم ( مویدنیادیسکا .] 15

O

3

In

2

عون یداه همین دیسکا کی ناونع هب دناوت یم ) ناونع هب یا هدرتسگ روط هب و دنک لمع n

[ کینورتکلاوتپا یاه هاگتسد رگید و تخت شیامن هحفص ،فافش یاهاناسر ،یدیشروخ یاه لولس ،اهرگسح 16 - 20

روم هریغ و ] رارق هدافتسا د

دودح رد میقتسم دناب فاکش اب( تسا نهپ یراون فاگ کی یاراد فافش یداه همین نیا .دریگب هتفرگ ریغ دناب فاکش و تلو نورتکلا 3.6

دودح رد میقتسم ، هدوت تلاح رد .)تلو نورتکلا 2.5

O

3

In

2

یم هدافتسا لیسگرون یاهدوید رد [ دوش

، 21 هیلا ،همه زا رتمهم .] 22 یاه

هدام نیا کزان هدننک بذج ناونع هب یدیسکا ی

[ تسا هدش هتخانش یمس یاهزاگ ی .] 23

رارق یسررب دروم نآ یتسیلاتاکوتوف و یرون صاوخ و هدش هیهت توصارف جاوما شور زا هدافتسا اب دیسکا مویدنیا ردوپ ونان ،هلاقم نیا رد هتفرگ

یبای هصخشم .تسا (سکیا یوترپ شارپ یاه

نس فیط ،) XRD شفنبارف یج

- هدش ماجنا یشبور ینورتکلا پوکسورکیم یرادرب ریوصت و ییرم

هدنیلاآ ندرب نیب زا یارب نآ یتسیلاتاکوتف تیلاعف سپس و تسا .تسا هتفرگ رارق یسررب دروم یجنران نلیتم و یبآ نلیتم یلآ یاه

.

- 2 شیامزآ ماجنا شور

- 1 - 2 داوم ونان هیهت

لولحم 0.2 (مویدنیا تارتین زا رلاوم O SIGMA

.xH

2

)

3

In(NO

3

رد ) داجیا هاگتسد تحت لولحم و دش هیهت رطقم بآ رتیل یلیم 20

هدننک ( تفرگ رارق توصارف جاوما ی FAPAN 1200 UT

لولحم ،توصارف جاوما نیح سپس ،) دیسکوردیه رلاوم 0.2

(میدس

، NaOH هک ییاج ات دش هفاضا نآ هب هرطق هرطق) Merk

هب لولحم pH یلا 10

پس .دسرب 11 5 س

و دش هداد وشتسش بآ اب هبترم

یطرد یامد اب نک کشخ رد تعاس 48

یامد رد ار هدمآ تسد هب داوم ،هلحرم نیا زا دعب .دش کشخ هجرد 45 یارب دارگیتناس هجرد 550

. .دش لصاح یگنر درز ردوپ .تسا هدش هنیسلک تعاس 2

2 2 - یتسیلاتاکوتف تیلاعف ماجنا شور -

رادقم هدام زا مرگ 0.01

رد هدش هیهت دیسکا مویدنیا یلیم 40

گنر لولحم رتیل تظلغ اب یلآ هدنیلاآ یاه

مامح کمک هب ما یپ یپ 10

هدننک تباث تحت سپس و هدش شخپ توصارف ( ید ما سا پملا رون ریز ییامد ی

) SMD هبترم ره رد یکیرات نامز تدم .تسا هتفرگ رارق 30

پملا ندوب نشور نامز نینچمه و هدوب هقیقد هلحرم ره رد

.تسا هدوب هقیقد 10

(3)

3

- 3 جیاتن و ثحب

1 3 - (سکیا یوترپ شارپ - ) XRD

هدام سکیا یارپ شارپ یوگلا لکش رد هدش هیهت ی

هلق .تسا هدمآ 1 لکش رد دیسکا مویدنیا یارب هیواز ره رد یرولب تاحفص هب طوبرم یاه

دنا هدش صخشم ]

24 هدنهد ناشن و [ راتخاس رد رگید هدام و یصلاخان ندوبن ی

.تسا هدام

1لکش مویدنیا دیسکا یدیلوت یاه هنومن سکیا یوترپ شارپ یوگلا .

طسوتم هزادنا هنومن

یاه دودح هدش هیهت ررش یابد هطبار کمک هب هک تسا رتمونان 51

] 25 سکیا یوترپ شارپ یاه هداد کمک هب [

t = Kλ βcosθ

نآ رد هک تسا هدش هبساحم ،هرذونان هزادنا t

دودح رد یتباث ددع k ، 0.9

،سکیا یوترپ شارپ جوم لوط λ هلق یانهپ β

رد تاحفص ی

و ریسم فصن دودح یا هشوخ طسوتم روطنیمه .تسا گارب هیواز θ

رتمونان 300 . تسا

2 3 - ییرم شفنبارف یجنس فیط -

بذج فیط O

3

In

2

لکش رد عبانم اب و تسا هدمآ 2

تقباطم ] 24 دراد [ جوا هلق یفیط دادخر نیا ی 305 رد

یراون فاگ و رتمونان

دودح رد نآ بذج .تسا هدش یریگ هزادنا تلو نورتکلا 4

هدوت تلاح ی

رد دیسکا مویدنیا دودح رد یراون فاگ( رتمونان 330

3.75

[ تسا) تلو نورتکلا تسا فیعض یموتناوک تارثا رییغت نیا لیلد ] 26

] 20 . [

هطبار کمک هب یراون فاگ شخب نیا رد ]

27 [

1 ( ) (h E )

_g 1/ 2

h A

    

لکش رد هک هدش هبساحم یم هدید حوضو هب 2

.دوش

2لکش .نآ یراون فاگ و هدش هیهت دیسکا مویدنیا یبذج فیط .

(4)

4

3 3 - (یشبور ینورتکلا پوکسورکیم یرادربریوصت - ) SEM

لکش رد ناشن یدیلوت یاه هنومن عطس زا ینورتکلا پوکسورکیم ریوصت 3

یم هدید هک روطنامه .تسا هدش هداد یاهراتخاسونان دوش

O

3

In

2

دنتسه یورک لکش یاراد .تسا دوهشم لکش رد رما نیا و

3 لکش یدیلوت دیسکا مویدنیا یاه هنومن زا یشبور ینورتکلا پوکسورکیم ریوصت . )a

50 kx )b

،500x

- 4 - 3 یتسیلاتاکوتف تیلاعف

قیقحت نیا رد هدش هیهت هدام زا مرگ 0.01

O

3

In

2

40 رد تظلغ اب یجنران /یبآ نلیتم لولحم رتیل یلیم مامح کمک هب ما یپ یپ 10

(پملا رون تحت و هدش هدنکارپ توصارف .تسا هدش هداد رارق ) SMD

توافتم یاه چا یپ رد یجنران نلیتم و یبآ نلیتم هدنیلاآ داوم تظلغ

نامز تحت بات یاه

لکش رد ،رون ش 4 یاه

5 و یتسیلاتاکوتف تیلاعف .تسا هدش هداد ناشن O

3

In

2

شیازفا یارب و تسا فیعض رایسب صلاخ

[ دوش یم هدافتسا گنیپود کینکت زا لاومعم ،تیلاعف نیا ، 29

نلیتم یلآ گنر فذح رد یدیلوت دیسکا مویدنیا هک تسا هدش هدهاشم .] 28

زا )یزاب تلاح(لااب چا یپ رد یبآ قفوم بآ

فلتخم داوم ربارب رد و تسا رون هب تبسن یبوخ شنکاو یاراد لااب چا یپ رد یبآ نلیتم .تسا هدوب رت

یم ناشن یتبثم شنکاو یتیلاتاکوتف [ دهد

.] 30

[ دراد یجنران نلیتم هب تبسن یبآ نلیتم یلآ گنر بیرخت رد یرتهب یتسیلاتاکوتوف رثا یاراد هدش هیهت تارذونان طیارش .] 15

نازیم هب یثنخ

.تسا مزلا یرتشیب نامز هب یلو دنک یم کمک یجران نلیتم بیرخت

4لکش پملا تحت یدیلوت دیسکا مویدنیا طسوت یبآ نلیتم یگنر هدنیلاآ نتفر نیب زا نازیم . SMD

(5)

5

5لکش پملا تحت یدیلوت دیسکا مویدنیا طسوت یجنران نلیتم یگنر هدنیلاآ نتفر نیب زا نازیم . SMD

- 4 جیاتن

ش هیهت یتسیلاتاکوتف تیلاعف یسررب روظنم هب توصارف جاوما شور طسوت هاگشیامزآ رد درز گنر هب مویدنیا دیسکا تارذ ونان ،هژورپ نیا رد هد

شفنبارف یجنس فیط و سکیا یوترپ شارپ یوگلا .دنا -

صاوخ هعلاطم .تسا هدش هیهت لماک روط هب هدام نیا هک تسا هداد ناشن ییرم

تاکوتف گنر یور هدام نیا یتسیلا یورک تارذ ونان هک داد ناشن هدنیلاآ یاه

O

3

In

2

گنر هدنیلاآ زا رتهب ،یبآ نلیتم گنر هدنیلاآ بیرخت رد

.تسا راذگ ریثات تیاهنیب هدام نیا یتیلاتاکوتف تبلاعف رد یگنر لولحم ندوب یزاب و یدیسا نینچمه و دنا هدوب یجنران نلیتم

عبانم

1. Kung, H.H., Transition metal oxides: surface chemistry and catalysis. Vol. 45. 1989:

Elsevier.

2. Noguera, C., Physics and chemistry at oxide surfaces. 1996: Cambridge University Press.

3. Gleiter, H., Nanostructured materials: state of the art and perspectives.

Nanostructured materials, 1995. 6(1-4): p. 3-14.

4. Valden, M., X. Lai, and D.W. Goodman, Onset of catalytic activity of gold clusters on titania with the appearance of nonmetallic properties. science, 1998. 281(5383):

p. 1647-1650.

5. Rodriguez, J., et al., Z.; Dvorak, J.; Maiti, A. J. Am. Chem. Soc, 2002. 124: p.

5247.

6. Bäumer, M. and H.-J. Freund, Metal deposits on well-ordered oxide films. Progress in Surface Science, 1999. 61(7-8): p. 127-198.

7. Ayyub, P., et al., Effect of crystal size reduction on lattice symmetry and cooperative properties. Physical Review B, 1995. 51(9): p. 6135.

8. Narayan, H. and H. Alemu, A Comparison of Photocatalytic Activity of TiO2 Nanocomposites Doped with Zn2+/Fe3+ and Y3+ Ions. International Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2017. 13(4): p. 315-325.

9. Elamin, N. and A. Elsanousi, Synthesis of ZnO nanostructures and their photocatalytic activity. Journal of Applied and Industrial Sciences, 2013. 1(1): p. 32-35.

10. Azizian-Kalandaragh, Y., S. Fakhri-Mirzanagh, and L. Badrinezhad, Sonochemically Prepared SnO2 Nanostructures for Photodegradation of Methylene Blue Under Mercury- Vapor and Light Emitting Diode Lamps. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2019. 14(2): p. 177-183.

11. Maeda, K., et al., Overall Water Splitting on (Ga1-x Zn x)(N1-x O x) Solid Solution Photocatalyst: Relationship between Physical Properties and Photocatalytic Activity.

The Journal of Physical Chemistry B, 2005. 109(43): p. 20504-20510.

(6)

6

gallium oxynitride for water splitting under visible light irradiation. The Journal of Physical Chemistry C, 2011. 115(6): p. 2805-2811.

13. Kudo, A. and I. Mikami, New In2O3 (ZnO) m photocatalysts with laminal structure for visible light-induced H2 or O2 evolution from aqueous solutions containing sacrificial reagents. Chemistry letters, 1998. 27(10): p. 1027-1028.

14. Sato, J., et al., New photocatalyst group for water decomposition of RuO2-loaded p- block metal (In, Sn, and Sb) oxides with d10 configuration. The Journal of Physical Chemistry B, 2001. 105(26): p. 6061-6063.

15. Salavati, H. and H. Saedi, Photocatalytic oxidation of aromatic pollutants and electrochemical behavior in water over nanopolyphosphotungstate supported on In2O3.

International Journal of Electrochemical Science, 2014. 10: p. 4208-4222.

16. Zhang, D., et al., Doping dependent NH 3 sensing of indium oxide nanowires. Applied Physics Letters, 2003. 83(9): p. 1845-1847.

17. Gordon, R.G., Criteria for choosing transparent conductors. MRS bulletin, 2000.

25(8): p. 52-57.

18. Hamberg, I. and C.G. Granqvist, Evaporated Sn‐doped In2O3 films: Basic optical properties and applications to energy‐efficient windows. Journal of Applied Physics, 1986. 60(11): p. R123-R160.

19. Cao, H., et al., Room-temperature ultraviolet-emitting In 2 O 3 nanowires. Applied physics letters, 2003. 83(4): p. 761-763.

20. Lee, C.H., et al., Ambient pressure syntheses of size-controlled corundum-type In2O3 nanocubes. Journal of the American Chemical Society, 2006. 128(29): p. 9326-9327.

21. Sreenivas, K., et al., Preparation and characterization of rf sputtered indium tin oxide films. Journal of Applied Physics, 1985. 57(2): p. 384-392.

22. Shigesato, Y., S. Takaki, and T. Haranoh, Electrical and structural properties of low resistivity tin‐doped indium oxide films. Journal of Applied Physics, 1992. 71(7):

p. 3356-3364.

23. Liess, M., Electric-field-induced migration of chemisorbed gas molecules on a sensitive film—a new chemical sensor. Thin Solid Films, 2002. 410(1-2): p. 183-187.

24. Liu, G., Synthesis, characterization of In2O3 nanocrystals and their photoluminescence property. Int. J. Electrochem. Sci, 2011. 6(6): p. 2162-2170.

25. P. Scherrer, Göttinger Nachrichten Gesell., Vol. 2, 1918, p 98.

26. Liu, Q., et al., Study of quasi-monodisperse In2O3 nanocrystals: Synthesis and optical determination. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(15): p. 5276- 5277.

27. Perez Gonzalez and Valeriano Arreola, “Structural, optical and electrical properties of CdS thin films obtained by spray pyrolysis” REV mexicana def ISICA, 54 (2008)112-117.

28. Meng, S., et al., Fabrication of hydrophilic S/In2O3 core–shell nanocomposite for enhancement of photocatalytic performance under visible light irradiation. Applied Surface Science, 2015. 324: p. 188-197.

29. Anand, K., et al. Synthesis, characterization, photocatalytic activity and ethanol- sensing properties of In2O3 and Eu3+: In2O3 nanoparticles. in AIP Conference Proceedings. 2015. AIP Publishing.

30. Boumediene, M., et al., Effects of pH and ionic strength on methylene blue removal from synthetic aqueous solutions by sorption onto orange peel and desorption study. J. Mater. Environ. Sci, 2018. 9: p. 1700-1711.