Yolk-Shell Structured Hematite Microparticles for Adsorption-Driven Enhanced Photocatalysis = 흡착에 의한 노른자-껍질 구조 헤마타이트 입자의 광촉매 분해 효율 향상

국문 초록 (Abstract)

합성 염료, 특히 메틸렌블루로 인한 수질 오염은 효율적이고 지속 가능한 수처리 기술의 개 발을 필요로 한다. 고도산화공정 중 헤마타이트 촉매는 풍부한 매장량과 가시광선 활성이라 는 장점이 있다. 그러나 생성된 수산화 라디칼의 짧은 수명으로 인해 촉매의 응용에는 한계가 있었다. 따라서, 본 연구에서는 헤마타이트 코어에 메조포러스 실리카 쉘을 도입하여 노른자 -껍질형 구조체를 도입하여, 흡착과 광촉매 반응이 동시에 일어날 수 있도록 설계하였다. 실 리카 쉘은 메틸렌블루 분자를 흡착으로 인해 촉매 코어 근처로 효과적으로 농축시키며, 동시 에 효율을 향상시키는 역할을 한다. 합성된 촉매의 흡착 거동은 평형 흡착 등온선 모델링 및 pH 실험을 통해 분석하였으며, 메틸렌블루 분해 효율을 평가하였다. 또한, 라디칼 소거 실험 과 전자 상자성 공명 분석을 통해 반응에 관여하는 주요 라디칼 종을 규명하고 분해 메커니즘 을 확인하였다. 본 연구는 노른자-껍질 구조의 헤마타이트 큐브가 수계 내 염료를 효율적으 로 제거할 수 있는 다기능성 흡착-광펜톤 촉매로서 높은 잠재력을 지니고 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Water contamination by synthetic dyes, such as methylene blue (MB), demands efficient and sustainable treatment technologies. Among advanced oxidation processes, heterogeneous photoFenton systems based on hematite (α-Fe2O3) are attractive due to their abundance and visible-light activity, but their application is hindered by low surface area, limited adsorption, rapid charge recombination, and the short lifetime of generated hydroxyl radicals. Here, we design yolk–shell hematite cubes (YSHC) that integrate a reactive hematite core with a mesoporous silica shell to couple adsorption and photocatalysis within a single platform. The negatively charged, high–surfacearea silica shell enables pre-concentration of MB molecules near the catalytic core, while stabilizing the active phase and improving light utilization. The adsorption behavior of YSHC was systematically investigated using equilibrium isotherm modeling and pH-dependent studies, and their photocatalytic performance toward MB degradation was evaluated under visible light/H₂O₂ conditions. Radical scavenging experiments and electron paramagnetic resonance (EPR) analysis were further employed to probe the dominant reactive oxygen species and elucidate the degradation mechanism. These results highlight the potential of YSHC as a multifunctional adsorptive photoFenton catalyst for efficient dye removal from water.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction . 1
• 1.1. Introduction. 1
• 1.2. Backgrounds 3
• 1.2.1 Advanced oxidation processes (AOPs). 3
• 1.2.2 Fenton process. 4
• 1.2.3 Hematite 5
• 1.2.4 Nano/micromaterials. 6
• 1.2.5 Engineered silica architectures 8
• 2. Materials and methods 10
• 2.1 Materials. 10
• 2.2 Synthesis of hematite cube (HC) 10
• 2.3 Synthesis of HC@SiO2 10
• 2.4 Synthesis of yolk-shell hematite cube (YSHC) 11
• 2.5 Synthesis of hollow silica cube (h-SC) 11
• 2.6 Characterization of HC, h-SC, and YSHC. 12
• 2.7 Adsorption experiments . 12
• 2.8 Photocatalytic degradation assessment 15
• 2.9 Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy 16
• 3. Results and Discussion 17
• 3.1 Synthetic strategy of YSHC. 17
• 3.2 Characteristics of YSHC 18
• 3.3 Adsorption isotherms . 20
• 3.4 Effect of pH on adsorption performance 24
• 3.5 Photodegradation of methylene blue 26
• 3.6 Reusability of YSHC 32
• 3.7 Methylene blue degradation mechanism by YSHC/H2O2/visible light system 33
• 4. Conclusion 37
• 5. References 38
• Abstract (KOR) . 42