Synthesis and Characterization of Fe3O4@TiO2 Nano-composite for Magnetic and Photocatalysis Activity

Abstract

ABSTRACT Scientists have been working in developing and functionalizing the nanostructures for the application of environmental contaminant’s remediation as it serves the sustainable development Goals (3) the good health and well-being and the goal (6) of the healthy water and sanitation. The core-shell structure Magnetite and Titanium Dioxide (Fe3O4@TiO2) have been introduced for their synergetic photocatalysis and magnetic properties that can be exploited in UV treatment and magnetic separation from the treated water. Experimental and Theoretical investigations were conducted in this work. The two compounds TiO2 and Fe3O4 of the composite material were chemically synthesized, their properties were studied separately, then the core-shell composite structures were prepared with different core/shell ratios, all prepared materials were characterized for their structural, optical, and magnetic properties using the following techniques FTIR, UV-Vis, XRD, TEM, and VSM. A theoretical study was performed using Density Functional Theory for the smallest representative unit cell structure of the TiO2 using the Quantum Espresso Code Package. The synthesized TiO2 has a Anatase phase, a tetragonal shape, and a 70 nm particle size. It has an Energy bandgap of 3.25eV. TiO2 NP showed high photodegradation of Hexavalent Chromium from water Cr(VI) with removal percentage of 89% after 60 min of direct sunlight exposing the polluted water at pH=1. The synthesized Fe3O4 has a Face Centered Cubic Shape, inverse spinel structure, a 32.3 nm particle size, and experimental 4.0eV energy Bandgap and Saturation magnetization of 70.3emu/g. Then the synthesized Core-shell Fe3O4@TiO2 core-shell with a crystalline structure has an absorption peak in the UV region. It has spherical shapes, a structure size ranged from 23-50nm, and with magnetic saturation moment inversely proportional to the shell thickness, the structure has magnetic Saturation of 41.6 emu/g for the sample of lowest shell thickness. The theoretical study involved the implementation of DFT using GGA exchange-correlation approximation for building Simulation models for the TiO2 structure. Rresults showed a stable relaxed structure in agreement with this experimental structural parameters, the lattice constants, volume and the density of the structure. From Fermi Energy position the system is an N-type semiconductor and has Energy Bandgap was 2.13 eV , which confirm to the prior literature results but it is underestimated compared to the experimental value, hybrid functional in further research may be implemented for more accurate results. Further future Studies on the theoretical heterogenous structure will be continued for a broader structural, electronic, and magnetic view of the structure. المستخلص عمل العلماء على تطوير وتفعيل التراكيب النانوية الهندسية لاستخدامها في تطبيق معالجة الملوثات البيئية (كما هو الحال في معالجة المياه) والتي تخدم أهداف التنمية المستدامة الهدف (3) الصحة الجيدة والرفاهية والهدف (6) الصحة الجيدة الماء والنظافة. تم إدخال أكاسيد معدنية وظيفية لتركيب (نواة ذو قشرة) مغنتيت وثاني أكسيد التيتانيوم نواة وقشرة على التوالي (Fe3O4@TiO2) لتحفيز الضوئي وخصائصها المغناطيسية التي يمكن استغلالها في المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والفصل المغناطيسي عن المياه المعالجة. في هذا البحث أجريت الاختبارات العملية والنظرية. تم تصنيع المركبين TiO2 و Fe3O4من المادة المركبة كيميائيًا، ودُرِست خواصهما بشكل منفصل، ثم تم تحضير التركيبات المركبة ذات القشرة اللبية بنسب مختلفة من النواة/ القشرة، وتم تمييز جميع المواد المحضرة لخصائصها الهيكلية والبصرية والمغناطيسية. باستخدام التقنيات التالية FTIR و UV-Vis و XRD و TEM و VSM ، تم إجراء دراسة نظرية لأصغرهيكل خلية تمثيلي لـ TiO2 باستخدام حزمة كود الإسبريسو الكمومي. المركب TiO2 له شكل رباعي الزوايا حيث 9.6178 و 3.7759 (أنجستروم) هي c و a عوامل التركيب البنيوية على التوالي، له حجم جسيم 70 نانومتر وله فجوة طاقة تجريبية تبلغ 3.25 الكترون فولت والتي تتوافق مع الدراسات النظرية السابقة. أظهر TiO2 NP نسبة إزالة عالية للكروم سداسي التكافؤ من الماء Cr (VI) بنسبة 89 ٪ بعد 60 دقيقة من أشعة الشمس المباشرة وتعريض المياه الملوثة عند الرقم الهيدروجيني pH=1. أما Fe3O4 المُصنَّع له شكل مكعب مركزي للوجه، مع عامل بنية a =8.3397 أنجستروم، وحجم جسيم 32.3 نانومتر، وطاقة تجريبية ذات فجوة نطاق 4.0 الكترون فولت ومغنطة تشبع تبلغ 70.3emu./جرام. المركب القشرة النواة Fe3O4@TiO2 المركبة ذات الهيكل البلوري له ذروة امتصاص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. ولها شكل كروي و يتراوح حجم الهيكل من 23-50 نانومتر،. تمت دراسة تأثيرات زيادة سماكة قشرة TiO2 على الخواص البصرية والمغناطيسية للهيكل، حيث تم تحقيق أعلى ذروة في العينة الاكثر سماكة للقشرة مع أدنى فجوة في نطاق الطاقة تبلغ eV3.4. كانت منحنيات التشبع المغناطيسي تتزايد بشكل متناسب مع انخفاض سماكة قشرة TiO2 وأعلى تشبع مغناطيسي 41.6emu /جرام للعينة ذات سماكة القشرة الأقل. استخدمت الدراسة النظرية، نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) باستخدام تقريب الارتباط التبادلي GGA لبناء نماذج محاكاة لهيكل المركب TiO2. أظهرت النتائج النظرية وجود بنية مستقرة، وهي متوافقة مع النتائج الهيكلية التجريبية في هذه الدراسة، مثل ثابت البنية وكثافة الهيكل. من موقع مستوى فيرمي النظام قيد الدراسة هو شبه موصل نوع N، ذو فجوة طاقة تساوي 2.13 الكترون فولت، والتي تتوافق مع نتائج الأدبيات السابقة النظرية ولكنها تتختلف عنها مقارنة بالقيمة التجريبية ، يمكن تطبيق معاملات ارتباط تبادلي متقدمة هجينة في بحث لاحق للحصول على قيمة أكثر دقة. سيتبع البحث المزيد من الدراسات المستقبلية حول التركيب النظري غير المتجانس من أجل رؤية هيكلية وإلكترونية ومغناطيسية أوسع للتركيب قيد الدراسة