Unique and hierarchically structured novel Co₃O₄/NiO nanosponges with superior photocatalytic activity against organic contaminants

Abstract

In the present study, novel Co₃O₄/NiO nanosponges designed for the photocatalytic degradation of organic contaminants were synthesized by a simple precipitation technique. The formation of sponge-like nanostructures was clearly evident through the TEM analysis. The photocatalytic efficiency was tested against rhodamine B (RhB) and congo red (CR) dye solutions. Co₃O₄/NiO nanosponges showed excellent and enhanced photocatalytic efficacy compared to those of Co₃O₄, NiO nanoparticles, and standards like TiO₂ and ZnO. The influence of paramount important operational parameters was explored and the conditions for the best photocatalytic efficiency were optimized. The trapping experiment revealed that the reactive oxygen species (ROS) identified was ·OH radical. These findings certainly open up a new way for synthesizing a morphology dependent photocatalyst.

Keywords

Co₃O₄/NiO / nanosponges / photocatalytic efficacy / visible light

References

[1] Tan G, Zhang  L, Ren H , . Effects of pH on the hierarchical structures and photocatalytic performance of BiVO₄ powders prepared via the microwave hydrothermal method. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(11): 5186–5193

[2] Lei W, Portehault  D, Dimova R , . Boron carbon nitride nanostructures from salt melts: tunable water-soluble phosphors. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(18): 7121–7127

[3] Richardson S D . Water analysis: emerging contaminants and current issues. Analytical Chemistry, 2009, 81(12): 4645–4677

[4] Latha P, Dhanabackialakshmi  R, Kumar P S , . Synergistic effects of trouble free and 100% recoverable CeO₂/Nylon nanocomposite thin film for the photocatalytic degradation of organic contaminants. Separation and Purification Technology, 2016, 168: 124–133

[5] Babu S G, Vinoth  R, Narayana P S , . Reduced graphene oxide wrapped Cu₂O supported on C₃N₄: An efficient visible light responsive semiconductor photocatalyst. APL Materials, 2015, 3(10): 104415

[6] Nezamzadeh-Ejhieh A ,  Banan Z . Sunlight assisted photodecolori-zation of crystal violet catalyzed by CdS nanoparticles embedded on zeolite A. Desalination, 2012, 284: 157–166

[7] Bhatnagar A, Hogland  W, Marques M , . An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications.Chemical Engineering Journal, 2013, 219:499–511

[8] Khabashesku V N ,  Zimmerman J L ,  Margrave J L . Powder synthesis and characterization of amorphous carbon nitride. Chemistry of Materials, 2000, 12(11): 3264–3270

[9] Zhang X, Wu  F, Deng N . Efficient photodegradation of dyes using light-induced self assembly TiO₂/β-cyclodextrin hybrid nanoparticles under visible light irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(1): 117–123

[10] Fan H J, Lu  C S, Lee  W L W, . Mechanistic pathways differences between P25-TiO₂ and Pt-TiO₂ mediated CV photodegradation. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(1): 227–235

[11] Ahmad R. Studies on adsorption of crystal violet dye from aqueous solution onto coniferous pinus bark powder (CPBP). Journal of Hazardous Materials, 2009, 171(1–3): 767–773

[12] Fujishima A, Honda  K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238(5358): 37–38

[13] Kamat P V. Photochemistry on nonreactive and reactive (semiconductor) surfaces. Chemical Reviews, 1993, 93(1): 267–300

[14] Hu Y, Gao  X, Yu L , . Carbon-coated CdS petalous nanostructures with enhanced photostability and photocatalytic activity. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(21): 5636–5639

[15] Chen X, Shen  S, Guo L , . Semiconductor-based photocatalytic hydrogen generation. Chemical Reviews, 2010, 110(11): 6503–6570

[16] Sasi B, Gopchandran  K G. Nanostructured mesoporous nickel oxide thin films. Nanotechnology, 2007, 18(11): 115613

[17] Bandara J, Yasomanee  J P. p-Type oxide semiconductors as hole collectors in dye-sensitized solid-state solar cells. Semiconductor Scienceand Technology, 2007, 22(2): 20–24 

[18] Shi J, Guo  L. ABO₃-based photocatalysts for water splitting. Progress in Natural Science: Materials International, 2012, 22(6): 592–615

[19] Wan X, Yuan  M, Tie S L , . Effects of catalyst characters on the photocatalytic activity and process of NiO nanoparticles in the degradation of methylene blue. Applied Surface Science, 2013, 277: 40–46

[20] Fominykh K, Chernev  P, Zaharieva I , . Iron-doped nickel oxide nanocrystals as highly efficient electrocatalysts for alkaline water splitting. ACS Nano, 2015, 9(5): 5180–5188

[21] Babu S G, Vinoth  R, Kumar D P , . Influence of electron storing, transferring and shuttling assets of reduced graphene oxide at the interfacial copper doped TiO₂ p-n heterojunction for increased hydrogen production. Nanoscale, 2015, 7(17): 7849–7857

[22] Rubio-Marcos F, Manzano  C V, Reinosa  J J, . Mechanism of Ni_1−xZn_xO formation by thermal treatments on NiO nanoparticles dispersed over ZnO. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(28): 13577–13583

[23] Singh S A, Vemparala  B, Madras G . Adsorption kinetics of dyes and their mixtures with Co₃O₄–ZrO₂ composites. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2015, 3(4): 2684–2696

[24] Wang G, Shen  X, Horvat J , . Hydrothermal synthesis and optical, magnetic, and supercapacitance properties of nanoporous cobalt oxide nanorods. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(11): 4357–4361

[25] Salavati-Niasari M ,  Mir N, Davar  F. Synthesis and characterization of Co₃O₄ nanorods by thermal decomposition of cobalt oxalate. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2009, 70(5): 847–852

[26] Prakash K, Kumar  P S, Saravanakumar  K, . Controllable synthesis of SnO₂ photocatalyst with superior photocatalytic activity for the degradation of methylene blue dye solution. Journal of Experimental Nanoscience, 2016, 11(14): 1138–1155

[27] Narayan R V, Kanniah  V, Dhathathreyan A . Tuning size and catalytic activity of nano-clusters of cobalt oxide. Journal of Chemical Sciences, 2006, 118(2): 179–184

[28] Zhang Y, Liu  Y, Fu S , . Morphology-controlled synthesis of Co₃O₄ crystals by soft chemical method. Materials Chemistry and Physics, 2007, 104(1): 166–171

[29] Kumar P S, Karuthapandian  S, Umadevi M , . Light induced synthesis of Sr/CdSe nanocomposite for the highly synergistic photodegradation of methylene blue dye solution. Materials Focus, 2016, 5(2): 128–136

[30] Kumar P S, Selvakumar  M, Babu S G , . CdO nanospheres: Facile synthesis and bandgap modification for the superior photocatalytic activity. Materials Letters, 2015, 151: 45–48

[31] Kumar P S, Selvakumar  M, Babu S G , . CuO/ZnO nanorods: An affordable efficient p-n heterojunction and morphology dependent photocatalytic activity against organic contaminants. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 701: 562–573

[32] Karthik P, Vinoth  R, Babu S G , . Synthesis of highly visible light active TiO₂-2-naphthol surface complex and its application in photocatalytic chromium(VI) reduction. RSC Advances, 2015, 5(50): 39752–39759

[33] Kumar P S, Selvakumar  M, Bhagabati P , . CdO/ZnO nanohybrids: facile synthesis and morphologically enhanced photocatalytic performance. RSC Advances, 2014, 4(62): 32977–32986

[34] Karunakaran C, Senthilvelan  S, Karuthapandian S . Solar photooxidation of aniline on ZnO surfaces. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2005, 89(4): 391–402

[35] Saravanakumar K, Kumar  P S, Kumar  J V, . Controlled synthesis of plate like structured MoO₃ and visible light induced degradation of rhodamine B dye solution. Energy and Environment Focus, 2016, 5(1): 50–57

Acknowledgements

We are grateful to thank the University Grant Commission, New Delhi, India for the benefit of Faculty Development Programme (FDP-TNMK033/003). We also express our gratitude to the College Managing Board, Principal and Head of the Department of Chemistry, VHNSN College and Virudhunagar for providing research facilities.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany