Reacción fotocatalítica de mejora del campo magnético en un reactor de microprocesador optofluídico

Degradación fotocatalítica de MO bajo la aplicación de ( a ) un campo magnético vertical con y sin EA y ( b ) varios campos magnéticos

Los resultados experimentales muestran que el campo NM puede aumentar la relación degradada total de MO 1,78 veces, (1-B_V) / (1-ref). En los experimentos que contienen aditivo de alcohol etílico (EA), dentro de un tiempo de procesamiento de 4 h, el campo magnético externo aumentó la proporción total degradada de MO en el eCB ^- vía, (1-B_V_EA) / (1-EA).

También se estudió el efecto de aplicar un campo magnético lateral (LM) (Fig. 2b). La magnitud del campo LM se varió utilizando diferentes combinaciones de imanes. Los pares de imanes proporcionan varios campos LM que son paralelos al plano del TiO ₂ declaración. Como se muestra en la Fig. 3b, un par de imanes de neodimio (B-L) proporciona un campo magnético de hasta 90 ± 5 Oe. También se utilizaron cuatro pares y dos pares de imanes (B-4 L y B-2 L en la Fig. 3b, respectivamente) para estudiar los efectos del aumento de la fuerza del campo magnético en la degradación fotocatalítica de MO. En ambos casos, la eficiencia de degradación se incrementó en relación con la producida utilizando el campo magnético aplicado verticalmente (B-V, mostrado en la Fig. 3b). Tenga en cuenta que la magnitud del campo magnético aplicado verticalmente fue ~ 1000 Oe, que era mucho más fuerte que en la disposición lateral. Por lo tanto, la mejora en la degradación fotocatalítica de MO debido a la aplicación de un campo LM fue mejor que la debida a la aplicación del campo NM.

Para comprender mejor los efectos del campo magnético en el camino de la reacción química, examinamos la degradación fotocatalítica de MO con y sin EA en condiciones de campo LM de diferentes magnitudes (Fig. 4a). Se añadió 0,16 ml de EA a la solución de prueba de 20 ml. EA sirvió como eliminador [22, 23] de los agujeros calientes generados en el TiO ₂ NP bajo iluminación de luz de 254 nm. Los campos magnéticos aplicados lateralmente mejoraron positivamente la degradación fotocatalítica de MO sin EA. Sin embargo, en los experimentos con EA, no se observó una diferencia obvia al aumentar la intensidad del campo LM. El EA agregado funciona como un eliminador de agujeros calientes inducidos por la luz (hVB ⁺ ). Las etapas de reacción 2, 3 y 6 se suprimieron en los experimentos que contenían EA. Los resultados experimentales de la Fig. 4a muestran que los pasos 5 a 7 de la reacción fotocatalítica del eCB ^- La ruta de reacción no se ve afectada por el campo LM.

Resultados experimentales. un Degradación fotocatalítica de MO por la aplicación de varios campos magnéticos con y sin EA. b Efectos de la velocidad de flujo en la reacción fotocatalítica mejorada por campo magnético en el reactor de chip micro optofluídico

Para comprender mejor el efecto de la dirección del campo magnético y la adsorción oscura de moléculas de MO en la reacción fotocatalítica, se realizaron experimentos adicionales usando campos LM en direcciones opuestas, como se muestra en la Fig. 5a. La imagen incrustada en la Fig. 5a presenta la adsorción oscura de MO por el P25 TiO ₂ depositado NP sin iluminación de luz ultravioleta en la primera hora del experimento. El campo magnético en direcciones opuestas (BM, FM) y el experimento sin campo magnético (No) proporcionaron resultados similares en el paso de adsorción oscura. Después de 1 h de adsorción oscura, se encendió la luz ultravioleta y comenzó la degradación fotocatalítica de MO. Las degradaciones fotocatalíticas de MO con campos LM tuvieron una mayor eficiencia de procesamiento que sin campo magnético (No), como se muestra en la Fig. 5.

Efectos del campo magnético sobre la absorción de la oscuridad y el OH ^- migración. un Degradación fotocatalítica de MO bajo la aplicación de BM y FM. b Esquema de la migración inducida por el campo magnético de OH ^- en el micro reactor de chip optofluídico. c Esquemas del OH ^- migración por fuerza electrostática en el canal fluídico en caso BM

A partir de los resultados experimentales de las Figs. 4 y 5, se cree que el movimiento forzado de OH ^- (velocidad v y cargar q =−e ) por fuerza magnética ( F _B =qv × B ) mejora la eficacia de la reacción fotocatalítica. De acuerdo con la ecuación de Hagen-Poiseuille, la velocidad de flujo del flujo plano de Poiseuille en varias posiciones ( z ) relacionado con la pared lateral del canal fluídico se puede describir simplemente como v _z =v ₀ z ( h - z ) [24]; en este documento, para microfluidos típicos, v _z =0 en la parte superior ( z =h ) y paredes inferiores ( z =0 ) actúan como la condición de límite de no deslizamiento en el eje de ancho de canal más pequeño, como se muestra en la Fig. 6. Por lo tanto, v _máx =v ₀ a la mitad de la altura del canal de microflujos ( z =h / 2 ). Tras la aplicación de un campo magnético externo, la fuerza magnética externa empuja al ion hidroxilo (OH ^- ) de la capa de alta velocidad para acumularse en la capa de baja velocidad cerca del TiO ₂ depositado . El OH ^- concentración en el límite del canal ( z =0, h ) aumenta con el aumento del campo magnético externo y puede denominarse "condensación de iones". En mecánica estadística, el potencial químico de OH ^- en una solución de prueba es μ =k _B T log ( n / n _Q ) [25], donde k _B es la constante de Boltzmann, n es la concentración de OH ^- y n _Q =[( M k _B T / 2πℏ ² )] ^3/2 es la concentración cuántica de OH ^- a temperatura T . M es la masa de OH ^- . ℏ se reduce la constante de Planck. Por lo tanto, los potenciales químicos μ _B =k _B T log ( n / n _Q ) de OH ^- en z =0, y h se incrementan con el campo externo B.

un Degradación fotocatalítica de MO bajo varios campos magnéticos con y sin EA. b Efectos de la velocidad de flujo en la reacción fotocatalítica potenciada por campo magnético en el reactor de chip micro optofluídico. c . Efecto de la condensación de iones de OH en microfluidos

En el caso de BM, el campo magnético fuerza al OH ^- iones para moverse desde el área central de alta velocidad de flujo y hacia la parte superior de baja velocidad de flujo de TiO ₂ no depositado . El OH acumulado ^- Los iones se expulsan eléctricamente entre sí para difundirse en el área de baja velocidad de flujo cerca de la pared del canal fluídico, como se muestra en la Fig. 5c. La concentración de OH ^- adyacente al TiO ₂ depositado así aumenta gradualmente. Esta tasa de transferencia de masa indirectamente mejorada de OH ^- al TiO ₂ depositado en el caso de BM procesa las reacciones fotocatalíticas con mayor eficiencia en comparación con la de no aplicar campo magnético.

La Figura 4b muestra el efecto de la velocidad de flujo sobre la reacción fotocatalítica potenciada por campo magnético en un reactor de chip micro optofluídico. Los resultados muestran que un aumento en la velocidad del flujo o la velocidad de desplazamiento de los iones cargados ( v ) da como resultado una disminución en la eficiencia de degradación fotocatalítica y una disminución en el tiempo de residencia del material que viaja en el chip fluídico. Conducen a una disminución significativa en la tasa de generación de * OH. En general, un aumento en la velocidad de flujo da como resultado una disminución pequeña, pero aún observable, en la ruta de electrones calientes de la reacción fotocatalítica.

En el caso del campo NM (Fig. 3a), el OH ^- se ve obligado a moverse circularmente en el plano paralelo al TiO ₂ depositado capa. Esto también aumenta la tasa de transferencia de masa en el fluido y la eficiencia del procesamiento fotocatalítico, como se muestra en la Fig. 4. Sin embargo, la adición de EA no puede suprimir la ruta de agujero caliente de la ruta de degradación fotocatalítica de MO en el microfluido. El gran campo magnético (~ 1000 Oe) puede mejorar las reacciones fotocatalíticas mediante un mecanismo complejo más allá de la migración o condensación de OH ^- en los microfluidos. Esto significa que un campo magnético gigante puede superar parcialmente el efecto agregando el eliminador de agujeros calientes (EA).

En los trabajos de referencia, se sugirió que el efecto OANS [16,17,18,19] es responsable del efecto del campo magnético en la mejora de las reacciones fotocatalíticas. También se procesa un experimento adicional en las reacciones fotocatalíticas asistidas por campo magnético con respecto al oxígeno disuelto siguiendo el mismo procedimiento experimental en la Fig. 5. Los valores de OD se midieron usando un medidor de OD (DO-5510, Lutron Electronic Enterprise Co. Ltd.) . El nivel de OD original se alteró con burbujeo de aire en la solución de prueba. El C / Co final se reduce aproximadamente con el aumento de la concentración de OD. Por lo tanto, la eficiencia de procesamiento de las reacciones fotocatalíticas magnéticas depende positivamente del OD inicial. Los resultados también muestran que, como se muestra en la Fig. 7b, la diferencia negativa entre el oxígeno disuelto antes y después significa que la generación de oxígeno también está ocurriendo en el proceso. Esto podría provenir de la generación fotocatalítica de oxígeno.

Degradación fotocatalítica de MO afectada por campos magnéticos bajo la aplicación de BM y FM con diversas concentraciones de oxígeno disuelto. un Final C / Co y b diferencia en el oxígeno disuelto (usado) antes y después del proceso

El efecto OANS sugirió que las moléculas de oxígeno pueden formar compuestos químicos complejos con moléculas de tinte y atraer a la superficie del fotocatalizador bajo iluminación de luz externa y campo magnético. Esto conduce a una mejora en la reacción fotocatalítica magnética. Sin embargo, la generación de oxígeno también consumirá el hVB ⁺ inducido . Por lo tanto, el efecto OANS y la generación fotocatalítica de oxígeno dan como resultado una baja eficiencia de degradación del MO fotocatalítico cuando la concentración inicial de OD es baja en la solución de prueba.