home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Hydrothermische synthese van In2O3 nanodeeltjes hybride tweeling hexagonale schijf ZnO heterostructuren voor verbeterde fotokatalytische activiteiten en stabiliteit

Abstract

In2 O3 nanodeeltjes hybride tweeling hexagonale schijf (THD) ZnO met verschillende verhoudingen werden vervaardigd door een hydrothermische methode. De als verkregen ZnO/In2 O3 composieten worden gevormd door hexagonale schijven ZnO met een diameter van ongeveer 1 μm en In2 O3 nanodeeltjes met afmetingen van ongeveer 20-50 nm. Met de toename van In2 O3 inhoud in ZnO/In2 O3 composieten, verschoven de randen van de absorptieband van monsters van het UV- naar het zichtbare lichtgebied. Vergeleken met puur ZnO is de ZnO/In2 O3 composieten vertonen verbeterde fotokatalytische activiteiten voor de afbraak van methyloranje (MO) en 4-nitrofenol (4-NP) onder bestraling met zonlicht. Vanwege een geschikte uitlijning van hun energie-band-gap-structuur van de In2 O3 en ZnO, kan de vorming van heterostructuur van het type п de efficiënte scheiding van fotogenererende elektro-gatparen verbeteren en zorgt voor handige overdrachtspaden voor dragers.

Achtergrond

In de afgelopen jaren hebben milieuvervuiling en energietekorten geleid tot ernstige sociale en economische problemen voor de menselijke samenleving. Op halfgeleiders gebaseerde fotokatalyse is op grote schaal gebruikt als een zeer efficiënte techniek om deze problemen op te lossen [1,2,3]. Van deze halfgeleidermetaaloxiden is zinkoxide (ZnO) erkend als een veelbelovende fotokatalysator vanwege zijn uitstekende elektrische en optische eigenschappen, lage kosten, hoge biologische veiligheid, veelzijdige vormen en structuren, milieuvriendelijk en sterk fotokatalytisch degradatievermogen van organische verontreinigende stoffen onder UV licht. ZnO met een brede bandafstand (bijv. =3,3 eV) kan echter alleen worden geactiveerd door ultraviolet (UV) licht, wat de praktische toepassingen voor zonne-energie beperkt [4,5,6,7,8]. Een ander belangrijk nadeel van ZnO is de snelle recombinatie van foto-geïnduceerde elektron-gat-paren, wat resulteert in de lage kwantumopbrengst voor fotokatalytische reacties [9,10,11,12]. Daarom is het nog steeds een grote uitdaging voor wetenschappers om de absorptierand van ZnO uit te breiden naar het zichtbare lichtgebied voor het gebruik van ongeveer 43% zonnespectrum en ondertussen de door foto gegenereerde elektron-gatparen recombinatie te onderdrukken. In de afgelopen jaren zijn verschillende modificatiestrategieën toegepast om ZnO-fotokatalyse onder zichtbaar licht te activeren, waaronder sensibilisatie, halfgeleiderkoppeling en doping. Een efficiënte strategie is het koppelen van ZnO met een andere halfgeleider met smalle bandafstand (bijv. CdS [13], CdSe [14], Cu2 O [15], C3 N4 [16], ZnFe2 O4 [17], Ag3 PO4 [18], CuInS2 [19], AgBr [20] en BiVO4 [21]) om heterostructuren van het type ZnO/smalband-geleider п te vormen. De vorming van type II heterostructuren is erkend als een aantrekkelijke route om de beperkingen van ZnO te overwinnen, omdat het een efficiënte ladingsscheiding bevordert, de effectieve contactinterfaces vergroot en de optische absorptie verbetert [22, 23].

In2 O3 met een bandafstand van 2,56 eV is bewezen als efficiënte sensibilisator om de lichtabsorptiespectra uit te breiden door andere halfgeleiders te koppelen. Ook zijn de valentie- en geleidingsbanduitlijningen verspringend ten opzichte van die van ZnO [24, 25]. Veel onderzoeken op In2 O3 -ZnO-composiet is gerapporteerd voor afbraak van organische verbindingen en waterstofproductie door fotokatalyse [26,27,28]. Deze resultaten laten zien dat de opname van In2 O3 in ZnO kan nanostructuur opmerkelijk de recombinatie van foto-gegenereerde elektron-gatparen remmen en zo de fotokatalytische activiteit verbeteren. Voor zover ons bekend, is er zelden gerapporteerd over de fabricage en verbetering van ZnO-fotokatalytische activiteiten en stabiliteit door In2 O3 hybride nanodeeltjes.

In dit artikel, In2 O3 nanodeeltjes hybride THD ZnO met verschillende verhoudingen werden vervaardigd door een hydrothermische methode. De microstructuur en optische eigenschappen van ZnO/In2 O3 heterostructuren werden onderzocht. De fotokatalytische activiteit en fotostabiliteit van ZnO/In2 O3 composieten werden geëvalueerd door MO en 4-NP onder lichte bestraling. Ten slotte zijn de ladingsoverdracht en het waarschijnlijke fotokatalytische mechanisme besproken en voorgesteld op basis van optische karakterisering, bandgapstructuur en reactieve soortreactie.

Experimenteel

Vorming van ZnO/In2 O3 heterostructuur

Eerst 0,1 mol ZnAc en een specifieke molaar In(NO 3 ) 2 met een ontworpen atoompercentage van In tot Zn (ongeveer 2,0, 5,0, 8,0, 12,0 en 15,0 atoom%) werden opgelost in 50 ml gedeïoniseerd water om een ​​heldere oplossing te vormen. Vervolgens werd 15 ml triëthanolamine (TEA) druppelsgewijs onder magnetisch roeren in de bovenstaande oplossing gebracht. Daarna werd de gemengde oplossing 4 uur verwarmd op 90 ° C, de verkregen precipitaten werden gecentrifugeerd en meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en ethanol en gedroogd in een oven bij 60 ° C. De laatste ZnO/In2 O3 composieten werden dus verkregen door gedurende 1 uur bij 200 ° C te gloeien. Volgens de In/Zn-molverhoudingen van 0, 2, 5, 8, 12 en 15% werden de composieten gemarkeerd als Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3 , Zn-In-4 en Zn-In-5, respectievelijk. Ter vergelijking, pure In2 O3 werden ook onder dezelfde voorwaarde vervaardigd.

Karakterisering

De kristalstructuren werden bestudeerd door poederröntgendiffractie (XRD) met een 0,154178 nm Cu-Ka-straling. De morfologieën en grootte van de ZnO/In2 O3 composieten werden gemeten met veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM; JSM-6700F, Japan). Chemische samenstellingen werden geanalyseerd door X-ray energy-dispersive spectroscopie (EDS) uitgerust met de SEM. De gedetailleerde microstructuren van monsters werden gekarakteriseerd door transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (FE-SEM SUPRA™ 40). Chemische toestanden van de monsters werden geanalyseerd met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS; PHI-5300, ESCA, VS). De UV-vis diffuse reflectiespectra (UV-vis DRS) van monsters werden gemeten op een UV-3600 spectrofotometer. Fotoluminescentie (PL; Renishaw1000, VK) spectra werden gemeten bij kamertemperatuur met behulp van een He-Cd-laser als de excitatielichtbron bij 325 nm. De •OH-trapping PL-spectra werden verzameld in 5 * 10 −3 M tereftaalzuuroplossingen met 0,01 M NaOH-oplossing met verschillende bestralingstijd; de excitatiegolflengte was 325 nm.

Fotokatalytische test

De fotokatalytische activiteiten van de voorbereide monsters werden geëvalueerd door de fotokatalytische afbraak van MO en 4-NP. De golflengteverdeling van de xenonlamp was vergelijkbaar met die van zonnelicht; dus werd een 500 W Xenon-lamp gebruikt als lichtbron. Voor elke meting van de fotokatalytische activiteit werd typisch 10 mg van de fotokatalysator gedispergeerd in 50 ml MO (5 mg/l) of 4-NP (1 mg/l) waterige oplossing en vervolgens 30 minuten in het donker geroerd om een adsorptie-desorptie evenwicht. De fotokatalytische reactie werd uitgevoerd door een Xenon-lamp als de zonne-lichtbron onder continu roeren. Met de gegeven tussenpozen werd 3 ml van de aliquots bemonsterd en geanalyseerd door variaties in de absorptieband (464 en 317 nm) in de UV-vis-spectra van respectievelijk MO of 4-NP te registreren. Om de fotostabiliteit van de Zn-In-4-katalysator te onderzoeken, werd cyclusdegradatie uitgevoerd. In dit geval werd herhaaldelijk Zn-In-4 gebruikt, dat werd afgescheiden en verzameld door centrifugeren. Na meerdere keren te zijn gewassen met water en ethanol en een nacht bij 60°C te zijn gedroogd, werd de Zn-In-4-katalysator opnieuw gebruikt met een verse MO-oplossing in water (5 mg/l) voor daaropvolgende reacties onder identieke omstandigheden.

Er werden vangexperimenten uitgevoerd om de belangrijkste actieve soorten in het fotokatalytische proces te onderzoeken. De experimentele apparatuur en procedures waren identiek aan die van de fotokatalytische activiteitstesten, behalve dat verschillende soorten aaseters (1 mM) aan de MO-oplossing werden toegevoegd. Hierin werd een fluorescentietechniek gebruikt om de vorming van vrije hydroxylradicalen (-OH) te detecteren en werd tereftaalzuur (TPA) gebruikt als het sondemolecuul. In detail werd het gesynthetiseerde Zn-In-4 (0,025 g) onder magnetisch roeren gedispergeerd in 50 ml gemengde oplossing van 0,25 mmol TPA en 1 mmol NaOH. Na 90 min bestraling met een xenonlamp (500 W), werd het supernatant van de reactieoplossing verzameld en onderzocht met een FP-6500 fluorescentiespectrofotometer met een excitatiegolflengte van 315 nm.

Resultaten en discussie

Morfologie en fasestructuuranalyse

Figuur 1 geeft de SEM-beelden van gefabriceerd ZnO/In2 O3 composieten met verschillende laadhoeveelheden van In2 O3 . Uit figuur 1a is duidelijk te zien dat het zuivere ZnO een zeshoekige schijfvorm heeft met een tweeling. De zeshoekige tweelingschijf heeft een gemiddelde zijlengte van ongeveer 700-1000 nm, en de hoogte van elke schijf is ongeveer 300-400 nm. In Fig. 1 wordt duidelijk aangegeven dat alle monsters de THD-morfologie behouden en dat de grootte van de monsters niet verandert met In2 O3 inhoud toeneemt. Het enige verschil is dat het bedrag van In2 O3 nanodeeltjes op het oppervlak van ZnO/In2 O3 composieten nemen toe met de toename van In(NO3 )3 inhoud. Er moet worden vermeld dat de In2 O3 nanodeeltjes zijn uniform verdeeld over het oppervlak van elke THD ZnO. Er zijn zeldzame aggregaties, zelfs voor hogere In2 O3 inhoud monster. De EDS-spectra van ZnO/In2 O3 monsters (ingevoegd in het overeenkomstige SEM-beeld) werden gedetecteerd door gedispergeerde monsters op een geleidende koolstofband. Elementair zink, zuurstof en indium worden gedetecteerd en de overeenkomstige gewichts- en atoompercentages voor alle monsters staan ​​vermeld in tabel 1.

SEM-afbeeldingen van ZnO/In2 O3 composieten met verschillende In2 O3 bedrag (een –f ). De inzet zijn de EDS-spectra corresponderende samples

Figuur 2 toont de XRD-patronen van de ZnO/In2 O3 composieten. Voor het Zn-In-0-monster komen alle diffractiepieken goed overeen met de wurtziet ZnO-structuur (JCPDS 36-1451). Voor de ZnO/In2 O3 heterostructuurcomposieten verschijnen drie nieuwe karakteristieke pieken bij 2θ-waarden van 30,6, 51,1 en 60,7 die kunnen worden geïndexeerd op (222), (440) en (622) kristalvlakken van lichaamsgecentreerde kubische structuur van In2 O3 (JCPDS, nr. 71-2194), respectievelijk. Echter, met toenemende molaire verhouding van In:Zn in ZnO/In2 O3 composieten, de intensiteiten van typische karakteristieke pieken geïndexeerd op In2 O3 toenemen. Er worden geen karakteristieke pieken voor andere onzuiverheden waargenomen, wat bevestigt dat de met succes vervaardigde ZnO/In2 O3 composieten hebben een hoge zuiverheid.

XRD-patronen van ZnO/In2 O3 composieten met verschillende In2 O3 bedrag

Om de morfologie en structuurinformatie verder te verkrijgen, presenteert Fig. 3 HR-TEM-afbeeldingen van Zn-In-4-monster. Het blijkt dat hexagonale schijfstructuren een diameter hebben van ongeveer 800 nm en dat de oppervlakken bedekt zijn met In2 O3 nanodeeltjes. Het is duidelijk dat ZnO/In2 O3 heterostructuur is samengesteld uit gekoppelde hexagonale schijven ZnO en In2 O3 nanodeeltjes. Fig. 3 (b) geeft de randen aan van verbroederde zeshoekige schijven bedekt met nanodeeltjes met een diameter van 20-50 nm. Het HR-TEM-beeld van het wit-vierkante gebied van figuur 3b wordt getoond in figuur 3c, een duidelijk onderscheiden interface kan worden waargenomen in figuur 3c. De afstand met 0,248 nm komt overeen met de interplanaire afstand van de (002) vlakken van de hexagonale ZnO-fase [12]. Het linkerdeel vertoont duidelijk de In2 O3 (222) facetten met een afstandswaarde van 0,285 nm, wat consistent is met de gerapporteerde waarde [24]. De goede kristallijne kwaliteit en het scherpe grensvlak tussen ZnO en In2 O3 zou voordelig zijn voor de scheiding van de foto-gegenereerde ladingsdragers. Figuur 3d is het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) van de interface, dat bestaat uit twee sets zonediffractievlekken. Deze gemengde diffractiepatronen duiden verder op de aanwezigheid van de In2 O3 kristallijne kern op het grensvlak van ZnO hexagonale schijf.

TEM-afbeelding (a ) en HR-TEM-beelden (b , c ) van Zn-In-4 monster

XPS-analyse

XPS-meting werd uitgevoerd om de oppervlakte-elementaire en chemische toestanden van ZnO/In2 verder te identificeren O3 composieten. De onderzoeksspectra (Fig. 4a) onthullen de aanwezigheid van de Zn2p-, In3d-, O1s- en C1s-energiegebieden. Het Zn2p-spectrum met hoge resolutie in Fig. 4b toonde twee belangrijke passende pieken gecentreerd op 1044,21 en 1021,36 eV, die respectievelijk zijn toegewezen aan Zn2p1/2 en Zn2p3/2, wat de Zn (II) oxidatietoestand in ZnO aangeeft [20]. In termen van het In 3d-spectrum (Fig. 4c), zijn er twee karakteristieke pieken gecentreerd op 444,16 en 451,73 eV die kunnen worden toegeschreven aan In 3d5/2 en In 3d3/2 , die de aanwezigheid van In 3+ . aangeven in de ZnO/In2 O3 composieten [27, 29]. In het O 1 s XPS-spectrum (Fig. 4d, kan het asymmetrische profiel worden verdeeld in twee symmetrische pieken gecentreerd op respectievelijk 530,06 en 531,74 eV. De piek op 530,06 eV wordt toegewezen aan roosterzuurstofbinding met In en Zn (aangeduid als In-O en Zn-O). Bovendien is de piek met een middelpunt op 531,74 eV geassocieerd met de aan het oppervlak geabsorbeerde zuurstofsoorten [26, 30]. Veel documenten hebben vastgelegd dat de zuurstofsoorten aan het oppervlak primaire actieve superoxideradicalen en hydroxyl kunnen produceren radicalen, die in staat zijn door foto geïnduceerde elektronen en gaten te vangen voor verbeterde fotokatalytische activiteiten [8, 31].

XPS-onderzoeksspectrum van Zn-In-4 en bijbehorende hoge-resolutie XPS-spectra:(b ) Zn2p, (c ) In3d en (d ) O1's. De eenheden van Fig. 4 (a ),(b ),(d ) moet "Binding Energie" zijn in plaats van "Banding Energie". De vervangbare Afb. 4 (a ), (b ), (d ) weergegeven in bijlage

Optische kenmerken

Figuur 5a toont de UV-vis diffuse reflectiespectra (UV-vis DRS) van het verkregen ZnO/In2 O3 composieten. Het kale ZnO vertoont een brede absorptie met een absorptierand bij 385 nm vanwege de intrinsieke brede bandafstand, terwijl de afgesneden golflengte van zuiver In2 O3 nanodeeltjes op 450 nm. Met de toename van In2 O3 gehalte van 2 tot 15 at%, de absorptiebandranden van monsters verschuiven van 380 naar 420 nm en de kleur van de voorbereide monsters ook van witachtig geel naar briljant geel. Dit resultaat houdt in dat In2 O3 nanodeeltjes met succes opnemen in ZnO. De inzet is de vergrote weergave van UV-vis DRS met de golflengte van 350 tot 420 nm. Volgens de Kubelka-Munk-methode [32] zijn de energiewaarden van de bandgap voor ZnO en In2 O3 wordt geschat op respectievelijk 3,18 en 2,75 eV [25, 33]. De plots van (F(R)hν) 1/2 vs. hν van de fotokatalysatoren worden weergegeven in Fig. 5b.

een UV-vis diffuse reflectiespectra van de bereide composieten en b band gap-energie van puur ZnO en In2 O3 voorbeelden

Fotoluminescentie (PL) techniek wordt veel gebruikt om de migratie-, overdrachts- en scheidingsefficiëntie van de foto-geïnduceerde elektronen-gatenparen in een fotokatalysator te onderzoeken. De hogere PL-intensiteit geeft de snellere recombinatiesnelheid van de door foto gegenereerde ladingsdragers aan; hoe minder fotogegenereerde elektronen en gaten deelnamen aan de fotokatalytische redoxreacties, wat resulteert in een lagere fotokatalytische activiteit [15, 34, 35]. Om het effect van In2 . te onderzoeken O3 nanodeeltjes tot ZnO, de PL-emissiespectra van ZnO/In2 O3 composieten met verschillende inhoud van In2 O3 werden gemeten bij kamertemperatuur onder de excitatiegolflengte van 325 nm, zoals weergegeven in Fig. 6. In dit onderzoek vertoont Zn-In-0 een sterke UV-luminescentie-emissiepiek gecentreerd op ongeveer 380,0 nm. De UV-emissie wordt toegeschreven aan de emissie van ZnO aan de rand van de nabije band. Na de wijziging van In2 O3 , de emissie-intensiteit van ZnO/In2 O3 monsters aanzienlijk gedaald. Dit resultaat geeft aan dat de recombinatie-efficiëntie van foto-geïnduceerde elektron-gatparen effectief kan worden geremd door de vorming van een heterojunctiestructuur. De Zn-In-4-monsters vertoonden echter de laagste intensiteit van de PL-emissiepiek, wat betekent dat de Zn-In-4 de hoogste fotokatalytische activiteit heeft voor alle ZnO/In2 O3 voorbeelden.

PL-spectra van ZnO/In2 O3 composieten met verschillende In2 O3 bedrag

Fotokatalytische activiteit

De fotokatalytische activiteiten van ZnO/In2 O3 monsters werden geëvalueerd door afbraak van MO en 4-NP onder gesimuleerde zonnestraling. Zoals geïllustreerd in Fig. 7, is de zelfafbraak van MO en 4-NP verwaarloosbaar zonder toevoeging van fotokatalysatoren, wat aangeeft dat deze twee soorten organische kleurstoffen fotochemisch stabiel zijn. Figuur 7a toont de degradatiecurves van MO op de ZnO/In2 O3 monsters. Onder zonnestraling wordt voor Zn-In-0-fotokatalysatoren na 90 minuten slechts 35% van de MO afgebroken, wat wordt toegeschreven aan de hogere bandafstand-energie. Ter vergelijking:de afbraaksnelheid van MO is ongeveer 64 en 82% voor de Zn-In-1 en Zn-In-2 na respectievelijk 90 minuten behandeling. MO kan bijna grondig worden afgebroken na 90 min behandeling met Zn-In-3, 70 min met Zn-In-5 en slechts 60 min met Zn-In-4 composiet fotokatalysator. De temporele evolutie van spectrale veranderingen die gepaard gaan met de fotodecompositie van MO via as-bereid Zn-In-4 wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:Figuur S1. De karakteristieke absorptiepiekintensiteit van MO bij 664 nm nam geleidelijk af met de toename van de bestralingstijd en de kleur van de MO-bevattende oplossing veranderde ook van aanvankelijke citroengeel in bijna transparante kleur na 60 minuten reactie, wat aangeeft dat de MO volledig zijn afgebroken tijdens het fotokatalytische proces. Volgens de schijnbare pseudo-eerste-orde kinetiekvergelijking, relatieve snelheidsconstanten kapp voor verschillende katalysatoren worden berekend en samengevat in figuur 7b. Hun corresponderende snelheidsconstanten (k ) worden bepaald als 0,0058, 0,010, 0,0193, 0,0450, 0,0687 en 0,0584 min −1 voor respectievelijk Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3, Zn-In-4, Zn-In-5. Er kan worden vastgesteld dat de snelheidsconstanten k eerst toenemen en vervolgens afnemen met de toename van In2 O3 inhoud van ZnO/In2 O3 composieten. Zn-In-4 vertoont de hoogste fotokatalytische activiteit. 4-NP werd geselecteerd als een andere typische doelverbinding voor het evalueren van de fotokatalytische activiteit van ZnO/In2 O3 composieten, en de fotokatalytische degradatiecurven van 4-NP door ZnO/In2 O3 composieten worden getoond in Fig. 7c, d. Met de In2 O3 gehalte toeneemt, neemt de afbraaksnelheid van 4-NP eerst toe en vervolgens af. Bovendien wordt de hoogste afbraaksnelheid verkregen uit het Zn-In-4-monster met bijna 100% verwijdering van 4-NP na 80 minuten bestraling met zonlicht. De snelheidsconstanten k van Zn-In-4 is ongeveer 12 keer hoger dan Zn-In-0. Op basis van de bovenstaande analyse kunnen we concluderen dat de fotokatalytische activiteit van ZnO aanzienlijk wordt verbeterd door In2 O3 nanodeeltjes hybride. Met een molaire verhouding van In2 O3 naar ZnO, wordt de degradatie-efficiëntie eerst verhoogd en vervolgens verlaagd, wat inhoudt dat de optimale laadhoeveelheid van In2 O3 is belangrijk voor het verbeteren van de fotokatalytische activiteit van ZnO/In2 O3 composieten.

Fotokatalytische degradatiecurven en kinetische lineaire simulatiesnelheidsconstanten van MO (a , b ) en 4-NP (c , d ) door Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3, Zn-In-4, Zn-In-5

Zoals we allemaal weten, heeft de massaverhouding van componenten een groot effect op de fotokatalytische prestaties in heterostructurele fotokatalysatorsystemen [27, 36]. Met een toename van de massaverhouding van In2 O3 in ZnO/In2 O3 composieten, was er geen significant verschil in de degradatieneiging van MO en 4-NP, en lijkt de maximale degradatie-efficiëntie voor het monster Zn-In-4. De PL-intensiteiten van de monsters vertonen echter een tegengestelde variatietendens. Dit resultaat geeft aan dat een geschikte hoeveelheid In2 O3 in de composieten was gunstig voor de snelle scheiding van foto-gegenereerde ladingsdragers en verbeterde zo de fotokatalytische activiteit [5, 37].

Het is algemeen bekend dat ZnO een slechte stabiliteit heeft bij de afbraak van organische verontreinigende stoffen. Het onderzoeken van de fotostabiliteit en herhaalbaarheid van een fotokatalysator op ZnO-basis is dus erg belangrijk voor de fotokatalytische prestaties. De recyclingexperimenten werden uitgevoerd door de afbraak van MO (Fig. 8a) en 4-NP (Fig. 8b) oplossingen over Zn-In-4 onder bestraling met zonlicht. De degradatie-efficiëntie van MO daalt van 99,7 naar 82,6% en 4-NP van 99,5 naar 85,4% na vijf cycli. Er is een kleine variatie in de efficiënte degeneratie van Zn-In-4 voor verschillende kleurstoffen na vijf recyclingtests onder zonlicht. Bovendien hebben de kristalstructuur en de morfologie van Zn-In-4 geen waarneembare verandering voor en na vijf recyclingtests onder bestraling met zonlicht. Zn-In-4c is dus stabiel bij fotodegradatie van organische verontreinigende stoffen.

Recyclage-experimenten van fotokatalytische afbraak van MO door zonlicht (a ) en 4-NP (b ) over de Zn-In-4

Voorgesteld fotokatalytisch mechanisme

Zoals algemeen bekend, is het belangrijk om de actieve soorten in het fotokatalytische proces te onderzoeken om het mechanisme van fotokatalyse beter te begrijpen. Bij de fotokatalytische afbraak van kleurstoffen waren voornamelijk verschillende actieve radicalen betrokken, zoals gaten (h + ), superoxide-anionradicaal (•O2 − ) en hydroxylradicalen (•OH) [19, 38]. Om de rol van deze actieve soorten te evalueren, werd een reeks quenchers gebruikt tijdens fotodegradatieprocessen. Benzoquinon (BQ), dinatriumzout ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA-2Na), isopropanol (IPA) werden gebruikt als aaseters voor •O2 − , fotogegenereerde gaten en •OH bij de afbraak van MO, respectievelijk. Zoals weergegeven in Fig. 9, wordt onder bestraling met zonlicht de fotokatalytische activiteit van Zn-In-4-composiet sterk onderdrukt door de toevoeging van BQ of EDTA-2Na, wat suggereert dat beide door foto gegenereerde O2 − en gaten zijn de belangrijkste oxidatieve soorten en speelden een cruciale rol in het afbraakproces van MO. Er zijn echter weinig veranderingen in de fotodegradatieprestaties wanneer IPA wordt toegevoegd aan het fotokatalytische systeem, wat suggereert dat de •OH een zeer klein effect heeft op het fotokatalytische reactiesysteem. Om de fotoactieve hydroxylradicalen (•OH) te onderzoeken, werden de OH-vangende fotoluminescentie (PL) spectra (zoals getoond in Fig. 9b) over Zn-In-4 suspensie verzameld waarin tereftaalzuur werd gebruikt als vangende reagentia voor • OH. Het was duidelijk dat de emissiepiek bij 426 nm verscheen onder belichting en de intensiteit van de emissiepiek vertoonde een kleine verandering met de belichtingstijd [39, 40]. Bijgevolg kan verder worden bevestigd dat de fotokatalytische afbraak van MO via het zoals bereide ZnO/In2 O3 composiet werd voornamelijk beheerst door •O2 − en h + in plaats van •OH onder zonnestraling.

Vangexperiment van actieve soorten tijdens de fotokatalytische afbraak van MO via Zn-In-4 onder bestraling met zonlicht (a ) en de OH-trapping PL-spectra over Zn-In-4-monster (b )

Daarom, om het fotokatalytische reactiemechanisme dat optreedt tijdens de fotodegradatie van zoals bereid ZnO/In2 volledig te begrijpen O3 composieten, de bandrandposities van de valentieband (VB) en conductieband (CB) van beide In2 O3 en ZnO moeten worden bepaald. Voor een halfgeleider kunnen de VB en CB worden berekend volgens de empirische vergelijking [41]:

$$ {E}_{CB}=X-{E}_C-\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.{E}_ {\mathrm{g}} $$ (1) $$ {E}_{VB}={E}_{CB}+{E}_g $$ (2)

Waar EVB is de valentieband, E CB is geleidingsband, E C is de energie van vrije elektronen ten opzichte van de normale waterstofelektrode (ongeveer 4,5 eV vs. NHE) en Eg is de bandgap van de halfgeleider. X is de absolute elektronegativiteit van de halfgeleider, volgens eerdere literatuur, de waarden van X voor In2 O3 en ZnO waren respectievelijk 5,24 en 5,94 eV [27, 42]. Gebaseerd op het resultaat in Fig. 5(b), de bandgap-energieën van In2 O3 en ZnO worden geschat op respectievelijk 2,75 en 3,18 eV. Gezien de bovenstaande vergelijkingen, is de E CB van In2 O3 en ZnO worden geschat op respectievelijk -0,635 en -0,15 eV; terwijl de E VB van In2 O3 en ZnO worden geschat op respectievelijk 2,12 en 3,03 eV. Figuur 10a toont de energiebandstructuur van ZnO/In2 O3 heterostructuur. Het Femi-energieniveau (Ef ) van In2 O3 is negatiever dan die van ZnO [33, 43]. Dus, om Fermi-energieniveau-evenwicht te bereiken in In2 O3 /ZnO heterojunctie-type fotokatalysator, het Fermi-niveau van ZnO wordt op zijn plaats gehouden vanwege het pinning-effect van breedbandhalfgeleider, terwijl het Fermi-niveau van In2 O3 zou kunnen opschuiven totdat het evenwicht bereikt is. Onder zonnestraling, zowel In2 O3 en ZnO licht absorberen, zullen de elektronen worden geëxciteerd en migreren naar de CB's en gaten blijven op de VB van beide In2 O3 en ZnO. De elektronen op het CB van In2 O3 gemakkelijk kunnen overstappen naar de CB van ZnO. Tegelijkertijd migreren de gaten in het VB van ZnO naar het VB van In2 O3 . De elektronen die achterblijven bij het CB van ZnO verminderen O2 om •O2 . op te leveren − , dat een krachtig oxidatiemiddel is voor de afbraak van organische kleurstoffen [15, 44]. Gaten opgeslagen in de VB van In2 O3 zou de verontreinigende stoffen direct kunnen oxideren tot onschadelijke producten, zoals weergegeven in Fig. 10b. Op basis van de bovenstaande analyse kunnen we concluderen dat door foto's gegenereerde h + en •O2 − zijn de primaire actieve soorten om fotokatalytische prestaties te bepalen, terwijl de verbeterde fotokatalytische activiteit wordt toegeschreven aan de efficiënte scheiding en overdracht van de foto-gegenereerde dragers op de heterojunctie-interfaces aangedreven door de goed op elkaar afgestemde bandstructuren van ZnO en In2 O3 .

Schematisch diagram van de energie-uitlijning (a ) en laadoverdracht in de ZnO/In2 O3 composieten onder zonnestraling (b )

Conclusies

Samengevat, In2 O3 nanodeeltjes hybride THD ZnO met verschillende verhoudingen werden vervaardigd via het hydrothermale proces. Aanzienlijk, vergeleken met puur ZnO, is het gefabriceerde ZnO/In2 O3 vertoont veel betere fotokatalytische activiteiten voor de afbraak van MO en 4-NP onder gesimuleerde zonnestraling, wat kan worden toegeschreven aan het synergetische effect tussen ZnO en In2 O3 , inclusief de maximale heterostructuur-interface met intiem contact en uitstekende zonnelichtrespons in de composiet, die beide de efficiëntie van de fotogegenereerde ladingsscheiding kunnen verbeteren. Dit werk zou inzicht kunnen geven in het belang van een rationeel ontwerp van heterostructuursystemen en een potentiële methode bieden voor de constructie van efficiënte heterostructuurfotokatalysatoren met regelbare afmetingen en ruimteverdelingen.


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Nanovezels en filamenten voor verbeterde medicijnafgifte
    2. Nanodeeltjes voor kankertherapie:huidige vooruitgang en uitdagingen
    3. Fotokatalytische activiteiten verbeterd door Au-plasmonische nanodeeltjes op TiO2-nanobuisjesfoto-elektrode gecoat met MoO3
    4. Synthese en in vitro prestaties van met polypyrrool gecoate ijzer-platina nanodeeltjes voor fotothermische therapie en foto-akoestische beeldvorming
    5. Groene bekwaamheid in de synthese en stabilisatie van kopernanodeeltjes:katalytische, antibacteriële, cytotoxiciteits- en antioxidantactiviteiten
    6. Platycodon-saponinen van Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) voor de groene synthese van gouden en zilveren nanodeeltjes
    7. Een hydrothermische synthese van Fe3O4@C hybride nanodeeltjes en magnetische adsorptieprestaties om zware metaalionen in waterige oplossing te verwijderen
    8. Vervaardiging van hiërarchische ZnO@NiO Core-Shell heterostructuren voor verbeterde fotokatalytische prestaties
    9. Gemakkelijke synthese en verbeterde fotokatalytische activiteit van zichtbaar licht van nieuwe p-Ag3PO4/n-BiFeO3-heterojunctie-composieten voor degradatie van kleurstoffen
    10. Invloed van Mg-doping op ZnO-nanodeeltjes voor verbeterde fotokatalytische evaluatie en antibacteriële analyse
    11. Effect van dubbellaagse CeO2−x/ZnO en ZnO/CeO2−x heterostructuren en elektroformerende polariteit op schakeleigenschappen van niet-vluchtig geheugen