Low-temperature microwave synthesis of ternary-layered 2D BiOCl crystals in a confined-space

Abstract

Økningen i både utslipp og miljøgifter har vært en direkte konsekvens av den økende graden av urbanisering og industrialisering i verden. Nedbryting av disse forurensingene kan oppnås ved å bruke fotokatalysatorer. En fotokatalysator som har vekket interesse på dette området er 2D BiOCl materiale med en ternær lagdeling. Denne strukturen har et stort justerbart båndgap, kontrollerbar vekst av (001) gitterplan gunstig for fotokatalytisk bruk og en stabil struktur som også kan justeres til å bedre passe fotokatalytiske anvendelser. De eksisterende metodene for å syntetisere BiOCl kommer med en rekke begrensinger, som for eksempel, bruk av organisk løsemidler, lang reaksjonstid og lavere produksjonsrate, noe som gjør de inkompatible for produksjon på et industrielt nivå. En mikrobølge-assistert og plass-begrenset metode er under utvikling som et alternativ til de tradisjonelle metodene.

I denne avhandlingen ble en konvensjonell mikrobølgeovn brukt for å syntetisere 2D BiOCl krystaller på silica og mica substrater. Denne metoden er rask, ren, billig, bruker lite energi og er miljøvennlig. Dermed kan den være mer aktuelt for industriell produksjon. Målet er å syntetisere uniformt tynne, støkiometrisk og krystallinsk BiOCl med stort overflateareal. En rekke parameter ble justert under syntetiseringen for å kartlegge effekten på de syntetiserte krystallenes størrelse og morfologi. Dette ble gjort med mål om å danne en kategorisering av parametere for vekst for denne metoden og for å oppnå en kontrollerbar metode for syntetisering av BiOCl ved hjelp av en mikrobølgeovn. Karakterisering av de syntetiserte krystallene ble gjort ved bruk av optisk mikroskop, skanning elektronmikroskop, energidispersiv røntgenspektroskopi, Ramanspektroskopi, atomkraftmikroskopi og røntgendiffraksjon.

Parameterne studert var tid i mikrobølgeovnen, avstand fra magnetron i ovnen, effekt på ovnen, vekst på mica substrat ved varierende effekt på ovnen og mengde forløper BiCl_3. Forskjellige morfologier ble oppdaget, hvor de mest fremtredende var firkanter, åttekanter og blomster. BiOCl firkantene hadde en størrelse i rekkevidden 11 til 24 micrometer med en tykkelse på 40 til 153 nm. For åttekantene var størrelsen i rekkevidden 3 til 13 micrometer med tykkelse på 40 til 170 nm. Blomster "bladene" hadde en tykkelse på 280 nm til 480 nm. Disse hadde også en økt eksponering av (001) gitterplan sammenlignet med en ordinær tilfeldig orientert BiOCl prøve, som er gunstig for fotokatalytiske anvendelser. De største firkantene oppstod ved å bruke stor mengde forløper plassert på silica substrat i midten av mikrobølgeovnen og varmet i 1 min med en effekt på 900 W. Resultatet viser at det kan antas at åttekanter formes først når diffusjon av atomer var lav, deretter formes firkanter som ved økende diffusjon resulterer i en sammenslåingsprosess og dannelsen av blomstrer. Åttekanter og firkanter var dominerende på silica og blomster dominerte på mica.

The increase in both emissions and pollutants is a direct consequence of an increase in urbanization and industrialization. Degradation of these pollutants can be achieved by the use of photocatalysts. A photocatalyst attracting attention is the 2D ternary layered BiOCl material. This structure has a wide tunable band gap, controllable growth of (001) facets favorable for photocatalytic activity and a stable structure which can also be tuned to better fit photocatalytic applications. Current methods of synthesizing BiOCl are associated with certain limitations such as the utilization of organic solvents, longer reaction time, lower production rate which makes them incompatible with industry-scale production. A space-confined, microwave-assisted method is currently being researched as an alternative approach.

In this thesis, a conventional microwave oven was utilized in order to synthesize 2D BiOCl crystals on silica and mica substrates. This method is fast, clean, applicable to industry, has low cost and low energy consumption and is environmentally friendly. The aim is to synthesize uniform, large-area, atomically thin, stoichiometric, and crystalline BiOCl. A variety of parameters were changed to investigate their eventual influence on crystal size and morphology. This was done to contribute to a categorization of growth parameters for the method and to achieve a controllable method of synthesizing BiOCl with a microwave oven. Characterization of the as-synthesized crystals was done with optical microscope, scanning electron microscope, energy-dispersive X-ray spectroscopy, Raman spectroscopy, atomic force microscopy and X-ray diffraction.

The parameters studied were microwave time, distance from the magnetron, microwave power, growth on mica substrates while changing microwave power and amount of precursor BiCl_3. Different morphologies were detected, among the most prominent were squares, octagons, and flowers. The resulting BiOCl squares had a size range of 11 to 24 micrometer with a thickness of 40 to 153 nm. For octagons the size was around 3 to 13 micrometer and thickness range of 40 to 170 nm. The flowers petals exhibited a thickness of 280 nm to 480 nm. These also had an enhanced exposure of (001) facets compared to a standard random-oriented BiOCl sample, and this facet is favorable for photocatalytic activity. The largest squares were generated by using a large amount of precursor on silica substrates in a confined space placed in the center of the microwave oven, and heated for 1 min at a power of 900 W. From the results it is hypothesized that octagons formed first when the diffusion of atoms was low, then squares grew which upon further diffusion resulted in a self-assembly process generating flowers. Octagons and squares were predominating on silica, whereas flowers were mostly observed on mica.