Eenstaps sonochemische synthese en fotokatalytische eigenschappen van grafeen/Ag3PO4 Quantum Dots Composites in één stap

Abstract

In deze studie werd een nieuw grafeen/Ag₃ PO₄ kwantumpunt (rGO/Ag₃ PO₄ QD) composiet werd voor het eerst met succes gesynthetiseerd via een gemakkelijke eenstaps foto-ultrasone ondersteunde reductiemethode. De composieten werden geanalyseerd met verschillende technieken. Volgens de verkregen resultaten, Ag₃ PO₄ QD's met een grootte van 1-4 nm werden uniform verspreid op rGO-nanobladen om rGO/Ag₃ te vormen PO₄ QD composieten. De fotokatalytische activiteit van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten werden beoordeeld door de ontleding van methyleenblauw (MB). Ondertussen werden ook de effecten van de dosering van oppervlakteactieve stoffen en de hoeveelheid rGO op de fotokatalytische activiteit onderzocht. Het bleek dat rGO/Ag₃ PO₄ QD's (W_rGO :W_composiet =2,3%) composiet vertoonde een betere fotokatalytische activiteit en stabiliteit met een afbraak van 97,5% van MB binnen 5 minuten. De verbeterde fotokatalytische activiteiten en stabiliteiten waren grotendeels gerelateerd aan het synergetische effect tussen Ag₃ PO₄ QD's en rGO met een hoog specifiek oppervlak, wat leidde tot een efficiënte grensvlakoverdracht van door foto gegenereerde elektronen en gaten op beide materialen. Bovendien, mogelijke vorming en fotokatalytische mechanismen van rGO/Ag₃ PO₄ QD's werden voorgesteld. De verkregen rGO/Ag₃ PO₄ QD's fotokatalysatoren zouden een groot potentieel hebben bij rioolwaterzuivering en watersplitsing.

Achtergrond

Onlangs heeft de synthese van fotokatalysatoren met een hoge efficiëntie de aandacht van de onderzoekers getrokken vanwege hun potentiële toepassingen bij de verwijdering van organische verontreinigende stoffen en de productie van waterstof [1,2,3]. Vanwege de hoge activering en efficiënte scheiding van foto-geëxciteerde elektronen (e⁻ ) en gaten(h⁺ ) [4], Ag₃ PO₄ halfgeleiderfotokatalysatoren kregen veel aandacht van onderzoekers op het gebied van fotokatalyse. Helaas zijn er verschillende factoren die de fotokatalytische prestatie van Ag₃ . beïnvloeden PO₄ , zoals onregelmatige morfologie, slechte oplosbaarheid, instabiliteit, hoge kosten, enz., die de wijdverbreide toepassingen ervan belemmerden [5]. Daarom is het noodzakelijk om de fotoactiviteit en fotostabiliteit van Ag₃ . te verbeteren PO₄ .

Eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat de fotokatalytische prestatie aanzienlijk kan worden verbeterd door de efficiënte scheiding van fotogegenereerde e⁻ -h⁺ paren [6,7,8]. Volgens de vergelijking τ = r ² /π² D , waar τ vertegenwoordigt de gemiddelde diffusietijd van de fotogegenereerde dragers, r staat voor de deeltjesstraal, en D verwijst naar de dragerdiffusiecoëfficiënt [9], kan verminderde deeltjesgrootte gunstig zijn voor de efficiënte onderdrukking van recombinatie van ladingsdragers, waardoor de fotokatalytische activiteit van de fotokatalysatoren wordt verbeterd. Vanuit dit gezichtspunt kan worden afgeleid dat de aanwezigheid van quantum dots (QD's) de fotokatalytische activiteit zou kunnen versterken [10, 11]. Omdat oppervlakteactieve dekking het wederzijdse contact tussen QD-oppervlak en verontreinigende stoffen kan belemmeren, wordt zelden gemeld dat QD's onafhankelijk worden toegepast als zeer efficiënte fotokatalysator. Om dit defect aan te vullen, werden QD's gewoonlijk op een drager met een groot oppervlak geladen om de aggregatie te verminderen in afwezigheid van enige stabilisator, die QD's de verbeterde fotokatalytische activiteit verleent.

Vanwege een betere elektronenscheiding en -overdracht in heterostructuren, werd rGO gekozen als supporter voor de Ag₃ PO₄ QD's. rGO heeft een tweedimensionale (2D) koolstofstructuur met uitstekende elektronische, mechanische en thermische eigenschappen [12], een hoog specifiek oppervlak en een hoge dragermobiliteit [13,14,15,16]. Deze eigenschappen maken het een goed substraat voor Ag₃ PO₄ photocatalyst, omdat het de e⁻ . effectief zou kunnen promoten -h⁺ paarscheiding en vergemakkelijken de ladingsoverdracht tussen de heterojuncties om de fotokatalytische activiteit en stabiliteit te verbeteren. Bovendien zou rGO kunnen worden geproduceerd door een chemische oxidatie- en reductieprocedure [17]. De methoden van grafeenoxide (GO) in rGO omvatten reductie van chemische dampafzetting (CVD) [18, 19], chemische reductie [20] en hydrothermische reductie [21, 22]. De bovenstaande methoden hebben echter enkele intrinsieke nadelen, zoals een complexe procedure en secundaire vervuiling. Daarom is het noodzakelijk om een groene manier te ontwikkelen om rGO te produceren. Onlangs werden de nieuwe groene manieren van foto-geassisteerde [23, 24] en ultrasoon-geassisteerde [25] reductiemethode gerapporteerd.

Fotoreductie van GO om rGO te produceren is een milde en groene methode; bovendien kunnen fotochemische en fotothermische reductiemechanismen afzonderlijk of gelijktijdig in de processen plaatsvinden [26,27,28]. Bovendien kan de zelffotoreductie van GO naar rGO de aanwezigheid van gatenvanger in de oplossing [24] versterken. Echografie wordt op grote schaal gebruikt voor de materiaalsynthese en afvalwaterbehandeling [29, 30]. Ultrasone bestraling kan plaatselijke hotspots opleveren met een druk van ongeveer 20 MPa, temperaturen van ongeveer 5000 K en een hoge koelsnelheid van ongeveer 10¹⁰ Ks ^− 1 , die worden gegenereerd door akoestische cavitatie [31]. Bij de ultrasone bestraling kan een verscheidenheid aan fysische en chemische effecten in de vloeistoffen worden geproduceerd door akoestische cavitatie, en onder deze extreme omstandigheden kan een unieke chemische reactieomgeving worden gecreëerd [31, 32]. de synthese van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten die gebruikmaken van een foto-ultrasoon-ondersteunde reductiemethode zijn nog niet gerapporteerd.

Hierin rapporteren we het ontwerp en de ontwikkeling van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten met zeer efficiënte fotokatalytische prestaties, waarbij de Ag₃ PO₄ QD's met een grootte van 1-4 nm werden voor het eerst uniform op rGO-nanosheets geladen via een gemakkelijke eenstaps foto-ultrasoon-ondersteunde reductiemethode. De composieten werden geanalyseerd met verschillende technieken. De fotokatalytische activiteit en stabiliteit van de verkregen composieten werden geëvalueerd door de afbraak van methyloranje (MO), Rhodamine B (RhB) en methyleenblauw (MB) onder bestraling met zichtbaar licht. Ondertussen werden ook de dosering van oppervlakteactieve stoffen en de hoeveelheid rGO op de fotokatalytische prestaties besproken. Het mogelijke fotokatalytische mechanisme van rGO/Ag₃ PO₄ QD's werden geanalyseerd op basis van experimenten met het vangen van vrije radicalen. Dit document biedt een gemakkelijke en groene methode voor de fabricage van meerdere metaaloxide QD's en efficiënte functionele materialen met een bredere toepassing op het gebied van milieuzuivering.

Experimentele sectie

Synthese van rGO/Ag₃ PO₄ QD's

GO werd bereid uit natuurlijk grafiet op basis van de Hummers-methode [33]. In een typisch syntheseproces werd 20 mg GO toegevoegd in 50 ml water en 30 minuten gesoniceerd om een uniforme suspensie te vormen, en vervolgens werd 2,2 mmol natriumoleaat toegevoegd aan de bovenstaande oplossing en 60 minuten gesoniceerd. Daarna 10 ml AgNO₃ waterige oplossing (0,6 mol/L) werd toegevoegd, de verkregen oplossing werd 4 uur geroerd om de ionenuitwisseling te voltooien, en vervolgens 10 ml Na₂ HPO₄ waterige oplossing (0,2 mol/L) werd druppel voor druppel toegevoegd aan de oplossing onder ultrasone bestraling. Na 60 min werd het neerslag 5 min gecentrifugeerd (5000 rpm) en meerdere keren gewassen met hexylalcohol en absolute ethanol om GO/Ag₃ te verkrijgen PO₄ QD composieten. Hierna 0,3 g GO/Ag₃ PO₄ QD's werden opgelost in 100 ml absolute ethanol en het mengsel werd gedurende 60 minuten blootgesteld aan bestraling met zichtbaar licht (CEL-S500, 300 W Xe-lamp, 420 nm scheidingsfilter) en ultrasone bestraling. De ultrasone bestraling werd uitgevoerd met een ultrasone sonde met hoge intensiteit (Xinzhi Co., China, JY92-2D, 10 mm diameter, Ti-hoorn, 20 kHz) die in het reactiesysteem werd geplaatst. Het neerslag werd 5 minuten gecentrifugeerd (5000 rpm) en vervolgens 12 uur gedroogd bij 60 °C om rGO/Ag₃ te verkrijgen. PO₄ QD composieten. Ag₃ PO₄ QD's werden zonder GO onder dezelfde omstandigheden bereid. Om de optimale rGO-laadhoeveelheid te onderzoeken, is een reeks monsters met theoretische gewichtsverhoudingen van rGO tot rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten (W_rGO :W_composiet =-1,5, 2,0, 2,3, 2,5 en 3,0 gew.%) werden verkregen. De bijbehorende rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten werden gemarkeerd als R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5 en R-3.

Kenmerken van materialen

Ag₃ PO₄ QD's en rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten werden geanalyseerd met röntgendiffractie (XRD, Cu-Ka, k = 1,5418 Å) in een bereik van 2θ van 10° tot 80°, FT-IR-spectroscopie, TEM (JEOL JEM-2010), Raman-spectrasysteem (Horiba JY-T64000, Frankrijk), XPS-spectrometer (PHI Quantera SXM) en UV- vis-spectrofotometer (U-3010, Hitachi, Japan). Fotoluminescentiespectra werden verkregen door FL (F-4500, Hitachi, Japan) spectrofotometer.

Meting van fotokatalytische activiteit

Om de fotokatalytische eigenschappen van de composieten te meten, werd 10 mg van de voorbereide monsters toegevoegd aan 100 ml 10 ppm MB. Het mengsel werd gedurende 30 minuten onder het donker magnetisch geroerd om een absorptie-desorptie-evenwicht te verzekeren. Een filter (λ ≥ 420 nm) werd op de beker geplaatst en vervolgens bestraald met een 300 W xenon-lichtbron (CEL-S500, China). In het begin werden de monsters elke 1 minuut verzameld, tot 6 min, en daarna werden de monsters elke 2 min genomen. Een UV-vis-spectrofotometer werd gebruikt om de absorptie-eigenschappen van de verzamelde oplossing te analyseren. De fotokatalysatoren werden verwijderd door centrifugeren (12.000 tpm, 3 min) vóór UV-vis-metingen.

Detectie van actieve soorten

Het vangexperiment werd op een vergelijkbare manier uitgevoerd als het fotokatalytische degradatie-experiment. Drie verschillende scavengers, waaronder (concentratie was ongeveer 1 mM) isopropanol (IPA, OH· scavenger), dinatriumethyleendiaminetetraacetaat (EDTA, hole scavenger) en p-benzochinon (BQ, O₂ ·⁻ scavenger) werden respectievelijk gebruikt om de belangrijkste actieve soorten te onderzoeken die worden gegenereerd in het fotodegradatieproces.

Resultaten en discussie

Kenmerken van materialen

Figuur 1 vertoonde de XRD-patronen van GO, rGO, Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3. De XRD-resultaten van GO en rGO onthulden een karakteristieke reflectiepiek bij respectievelijk 2θ =-10,7 ° en 25 ° (overeenkomend met een d-afstand van 0,83, 0,36 nm) (Fig. 1a, b) [34]. Alle XRD-pieken van Ag₃ PO₄ kan worden geïndexeerd naar de lichaamsgecentreerde kubische fase van (JCPDS No.06-0505) (Fig. 1d). De R-2.3 vertoonde een vergelijkbaar XRD-patroon met pure Ag₃ PO₄ QD's en de bredere diffractiepieken werden toegeschreven aan de kleine omvang van Ag₃ PO₄ QD's, die volgens de Scherrer-vergelijking [35] werden berekend op ongeveer 3,7 nm. Er konden geen diffractiepieken toegewezen aan GO en rGO worden waargenomen in de composieten (Fig. 1c), wat werd toegeschreven aan de kleine rGO-hoeveelheid in de composiet [36]. Onderzoek naar het effect van GO op de vorming van Ag₃ PO₄ QD's, het XRD-patroon van pure Ag₃ PO₄ QD's werden gemeten. De diffractiepieken van zuiver Ag₃ PO₄ QD's kunnen worden geïndexeerd tot kubieke Ag₃ PO₄ . De gemiddelde grootte van pure Ag₃ PO₄ QDs werd berekend op ongeveer 5,1 nm met de Scherrer-vergelijking, die groter was dan die van rGO/Ag₃ PO₄ composieten. Bovenstaande resultaten gaven aan dat GO-vellen de vorming van Ag₃ . kunnen beïnvloeden PO₄ QD's.

XRD-patronen van a GA, b rGO, c R-2.3, en d Ag₃ PO₄ QD's

Afbeelding 2 toont de TEM-afbeeldingen van R-2.3-composieten. Ag₃ PO₄ QD's met een relatief smalle grootteverdeling met een diameter van 2,81 ± 1,2 nm werden uniform op rGO-vel verspreid. De roosterafstand was 0,212 en 0,190 nm, wat overeenkwam met de d-afstand van (220) en (310) kristallografische vlak van Ag₃ PO₄ , respectievelijk. Om de effecten van ultrasoon te onderzoeken, werd conventioneel roeren uitgevoerd in plaats van ultrasone behandeling. De resultaten werden getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1. Ag₃ PO₄ deeltjes op rGO die werd gevormd door de conventionele roermethode vertoonden geen uniforme structuur en de grootte van Ag₃ PO₄ groter werd dan die gevormd door ultrasone behandeling. De bovenstaande resultaten gaven aan dat ultrasone behandeling zeer effectief was bij het dispergeren en beheersen van de grootte van Ag₃ PO₄ deeltjes op rGO-lagen [37].

TEM-afbeeldingen van R-2.3 (a , c ), HRTEM-afbeelding van R-2.3 (b ), en deeltjesgrootteverdeling (d )

De succesvolle ultrasoon-ondersteunde fotoreductie van GO naar rGO kan verder worden bevestigd door XPS-spectra van GO- en R-2.3-composieten zoals weergegeven in Fig. 3. De pieken op 131,7, 284,2, 367,2 en 530,2 eV werden geïndexeerd naar de karakteristieke pieken van respectievelijk P2p, C1s, Ag3d en O1s (Fig. 3a). De sterke pieken bij 366,8 en 372,8 eV worden toegeschreven aan Ag⁺ van Ag₃ PO₄ [38] (Fig. 3b). De O1s XPS-spectra van R-2.3 kunnen worden verdeeld in twee pieken, die werden toegeschreven aan O1s van Ag₃ PO₄ (529,5 eV) en O1s van rGO (531,3 eV) [7, 39]. De piek van O1s van rGO (531,3 eV) verschoof naar lagere bindingsenergie vergeleken met die van GO (531,8 eV), wat impliceert dat er een chemische interactie bestond tussen rGO en Ag₃ PO₄ QD's door C=O binding. Het C1s-spectrum van GO was verdeeld in drie verschillende pieken bij 284,8, 286,7 en 287,7 eV, die respectievelijk werden toegewezen aan C-C/C=C, C-O en C=O [40, 41] (Fig. 3c). Na te zijn gereduceerd door zichtbaar licht, geholpen met ultrasone bestraling (Fig. 3d), vertoonden de zuurstofbevattende groepen, vooral C-O, C =O opmerkelijk verminderde piekintensiteiten, wat aangeeft dat de reductie van GO naar rGO met succes verliep.

XPS van a onderzoeksspectrum, b Ag3d, c O1s en d C1's van GO en R-2.3

Afbeelding 4a demonstreerde de FTIR-spectra van GO, rGO, Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3. De karakteristieke pieken bij 1725,6, 1056,5 en 1615,4 cm^− 1 in GO werden toegeschreven aan de rektrillingen van respectievelijk carboxyl C=O, alkoxy C-O en C=C [40, 42]. De brede piek van 3000-3600 cm^− 1 werd toegeschreven aan de O-H rektrilling [43]. Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3-composieten hadden vergelijkbare FT-IR-pieken bij 552,1 en 970,2 cm^− 1 , die werden toegewezen aan trillingen van P-O van PO₄ ³⁻ [44]. Dit gaf aan dat Ag₃ PO₄ QD's werden gebonden op rGO-vellen. Na door foto-ultrasoon geassisteerde reductie tot rGO, werden de karakteristieke pieken (op 1725,6; 1056,5 cm^− 1 ) verschoven naar lagere golfgetallen in vergelijking met GO, wat consistent was met de resultaten van XPS-analyse, wat wijst op het bestaan van ladingsinteractie tussen rGO en Ag₃ PO₄ in de voorbereide composieten.

FT-IR-spectra (a ) en Raman-spectra (b ) van GO, rGO, Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3

Figuur 4b toonde de Raman-spectra van GO, rGO, Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3. Het Raman-spectrum van GO vertoonde twee karakteristieke pieken van de D-band op 1347 cm^− 1 en G-band op 1586 cm^− 1 . De waarde van I _D /Ik _G in R-2,3 en in GO was respectievelijk ongeveer 1,039 en 0,9056. Het was duidelijk dat de composiet een relatief hoge intensiteit van de D-band vertoonde in vergelijking met GO, wat bevestigde dat de GO-vellen gedeeltelijk waren gereduceerd tot rGO [37]. De Raman-spectra van Ag₃ PO₄ QD's en R-2.3 vertoonden drie verschillende pieken bij 410, 566 en 714 cm^− 1 , en deze pieken werden toegeschreven aan de P-O-P-obligaties. De sterke piek bij 907 cm^− 1 werd opgewekt door de beweging van terminale trillingen van zuurstofbindingen in fosfaatketens [23].

Voorbereidingsmechanisme van rGO/Ag₃ PO₄ QD's

De syntheseroute van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composiet werd voorgesteld en schematisch geïllustreerd in Fig. 5. De synthesereacties werden als volgt gedetailleerd:

$$ {\mathrm{Ag}}^{+}+\mathrm{oleate}\ \mathrm{ions}\to \mathrm{Ag}\hbox{-} \mathrm{oleate} $$$$ \mathrm{Ag }\hbox{-} \mathrm{oleate}+\mathrm{GO}\to \mathrm{GO}\hbox{-} \mathrm{Ag}\hbox{-} \mathrm{oleate} $$ (1) $ $ \mathrm{GO}\hbox{-} \mathrm{Ag}\hbox{-} \mathrm{oleate}+{{\mathrm{PO}}_4}^{3\hbox{-}}\to \mathrm {GO}\hbox{-} {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{QDs} $$ (2) $$ \mathrm{GO}\hbox{-} {\mathrm{ Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4+\mathrm{h}\upsilon \to \mathrm{GO}\hbox{-} {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{ QDs}\left({\mathrm{e}}^{\hbox{-} }+{\mathrm{h}}^{+}\right) $$ (3) $$ {\mathrm{H}}_2 \mathrm{O}\to \cdotp \mathrm{OH}+\cdotp \mathrm{H} $$$$ \cdotp \mathrm{OH}+\cdotp \mathrm{OH}\to {\mathrm{H}} _2{\mathrm{O}}_2 $$$$ \mathrm{GO}\hbox{-} {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{QDs}+{\mathrm{e }}^{\hbox{-}}\to \mathrm{rGO}\hbox{-} {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{QDs} $$ (4) $$ \mathrm{GO}\hbox{-} {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{QDs}+\cdotp \mathrm{H}\to \mathrm{rGO}\hbox{- } {\wiskunde{A g}}_3{\mathrm{PO}}_4\mathrm{QDs} $$

Illustratie van de synthese van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten via foto-ultrasoon-ondersteunde methode

De totale syntheseroute zou in vier opeenvolgende fasen kunnen worden onderverdeeld. Ten eerste, Ag⁺ en oleaationen wisselden elektrostatisch op elkaar in om Ag-oleaatcomplexen te vormen, hydrolyse van Ag⁺ ionen kunnen door dit proces effectief worden voorkomen. Ag-oleaatcomplexen interageerden met de overmaat aan oleaationen, waardoor de hydrofiele eigenschap ervan werd verbeterd om in water te dispergeren. Zuurstofgroepen op het oppervlak van GO zorgden voor hydrofiele eigenschappen. Wanneer GO-vellen werden toegevoegd aan de Agoleaat-waterige oplossing, zullen de Ag-oleaatcomplexen bij voorkeur adsorberen op deze zuurstofbevattende functionele groepen (Vergelijking (1)). Ten tweede, reacties tussen Ag⁺ en PO₄ ³⁻ ging verder met het vormen van Ag₃ PO₄ QD's op GO-oppervlak (Vgl. (2)). Ten derde, wanneer GO-Ag₃ PO₄ QD's werden gesoniceerd in oplossing, de ultrasoon gestimuleerde elektron-gatparen van Ag₃ PO₄ QD's wanneer GO-Ag₃ PO₄ QD's werden bestraald met zichtbaar licht in ethanoloplossing. Tegelijkertijd, ·H en H₂ O₂ werden geproduceerd door ultrasone bestraling. Uiteindelijk werd GO gereduceerd tot rGO door ·H en accepteerde foto-gegenereerde elektronen uit de geleidingsband (CB) van Ag₃ PO₄ . Als resultaat, rGO/Ag₃ PO₄ QD-composiet werd verkregen door foto-ultrasone ondersteunde reductie.

Optische eigenschappen van fotokatalyse

De UV-vis absorptiespectra van Ag₃ PO₄ QD's en rGO/Ag₃ PO₄ QD's met verschillende massaverhoudingen van rGO werden getoond in Fig. 6a. De absorptiegolflengte van pure Ag₃ PO₄ QD's waren korter dan 530 nm; omgekeerd, rGO/Ag₃ PO₄ De structuur van QD-composieten vertoonde een verlengde golflengte (> 530 nm) en de intensiteit ervan nam toe met toenemende rGO-inhouden, waarna 2,3% werd bereikt en daarna afnam. Dit kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van koolstof in rGO/Ag₃ PO₄ QD's verminderen de reflectie van licht [45]. Volgens de Kubelka-Munk-functie [46] kunnen we de bandhiaten van de fotokatalysatoren krijgen zoals weergegeven in figuur 6b en aanvullend bestand 1:figuur S2; de band gap van R-2.3 werd berekend op 1,62 eV, wat lager was dan zuiver Ag₃ PO₄ QD's (2,23 eV). De relatieve smalle bandgap-energie kan worden toegeschreven aan het synergetische effect dat de som van het totale effect superieur is aan het enkele effect na verschillende soorten dispersie om te interageren tussen rGO en Ag₃ PO₄ QD's [47], die leiden tot een verbetering van de efficiëntie van het gebruik van het zonnespectrum van de fotokatalysatoren [36].

een UV-vis DRS-spectra van Ag₃ PO₄ QD's, R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5, R-3 composieten en b de plots van (αhν)² versus bijv.

Fotokatalytische activiteit en stabiliteit

Om de beïnvloedende factoren op het experimentele proces tot de fotokatalytische activiteit te begrijpen, werden de effecten van verschillende massa's oppervlakteactieve stof onderzocht, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S3. Monsters werden bereid terwijl andere omstandigheden constant bleven. Het resultaat toonde aan dat de fotokatalytische activiteiten toenamen met toenemende massa van oppervlakteactieve stof, maar afnamen na meer dan 0,5 g, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S3, wat kan worden toegeschreven aan de overmatige oleaationen die Ag₃3 sub> PO₄ Grootteverdeling van QD's op rGO-oppervlak [35]. Dit leidt tot een afname van fotokatalytische activiteiten. Vergeleken met pure Ag₃ PO₄ QD's nam de concentratie MB snel af voor rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten (Fig. 7a). Dit resultaat gaf aan dat de fotokatalytische reactie verband hield met het bestaan van actieve plaatsen [48, 49]. Toen het gehalte aan rGO 2,3% was, kwam de hoogste fotokatalytische activiteit naar voren en kon MB gedurende 5 minuten met 97,46% worden afgebroken. Dit kan worden toegeschreven aan rGO-halfgeleider heterojunctie, die effectief gebruik had gemaakt van de overdracht van lading van rGO-nanobladen onder bestraling met zichtbaar licht [23]. Onder dezelfde omstandigheden, toen het gehalte aan rGO werd verhoogd tot 3%, hadden de resultaten bewezen dat een overmatige belading van rGO de kleurstof- en fotonenabsorptie op Ag₃ zou kunnen verminderen. PO₄ [23]. Belangrijk is dat rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten vertoonden superieure fotokatalytische prestaties dan pure Ag₃ PO₄ QD's en op rGO gebaseerde Ag₃ PO₄ composieten [23, 50]. De foto-exit elektronen (e⁻ ) zou kunnen worden overgedragen van de CB van Ag₃ PO₄ QD's naar rGO en rGO in de composieten kunnen fungeren als een snelweg voor elektronenoverdracht om de e⁻ te onderdrukken -h⁺ recombinatie, die verantwoordelijk was voor de opmerkelijk verbeterde foto-conversie-efficiëntie [51]. Bovendien kon de overdracht van grensvlaklading worden vergemakkelijkt door het grotere oppervlaktegebied van rGO [52, 53]. Bovendien werd de fotokatalytische degradatie-efficiëntie van R-2.3-composiet over verschillende organische kleurstoffen onderzocht, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S4.

een Fotokatalytische afbraak van MB door Ag₃ PO₄ QD's, R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5 en R-3 composieten, b overeenkomstige snelheidsconstanten (k) van monsters voor fotokatalytische afbraak van MB, c recyclingexperimenten van de R-2.3 voor degradatie van MB, en d XRD-patronen voor en na de recycling-experimenten

Om de stabiliteit van de R-2.3-composiet te testen, werden de fietsexperimenten van de composiet voor MB uitgevoerd (figuur 7c). De resultaten onthulden dat R-2.3-composieten een voorbeeld waren van een hogere fotokatalytische stabiliteit na vijf cycli, met behoud van de degradatie-efficiëntie tot 90%, wat wijst op de goede fotocayalytische stabiliteit. En dit kan worden geprofiteerd van de efficiënte foto-gegenereerde e⁻ -h⁺ scheiding. Bovendien wordt het XRD-patroon van R-2.3, dat gedurende vijf cycli werd gebruikt, getoond in Fig. 7d, en er wordt geen duidelijke piek rond Ag waargenomen. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat rGO de elektronenoverdracht naar Ag3 zou kunnen vergemakkelijken /sub> PO₄ QD's en verminderde de fotocorrosie van Ag₃ PO₄ QD's [23].

Mechanisme van de verbeterde fotokatalytische prestaties

De bovengenoemde experimentele resultaten gaven aan dat de fotokatalytische prestatie van Ag₃ PO₄ werd verbeterd door Ag₃ . te combineren PO₄ met rGO-bladen, wat werd toegeschreven aan de snelle overdracht en scheiding van door foto's gegenereerde e⁻ -h⁺ paren in de composieten [23]. De fotoluminescentie (PL) spectra werden uitgevoerd om de e⁻ . te onderzoeken -h⁺ paren migratie-, overdracht- en recombinatieprocessen in halfgeleiders [54, 55]. Figuur 8a toonde de PL-spectra van de monsters. De PL-spectra van rGO/Ag3PO4 QD's toonden een lagere recombinatiesnelheid van fotogegenereerde e⁻ -h⁺ paren vergeleken met Ag₃ PO₄ QD's, wat aangeeft dat meer fotogegenereerde e⁻ en h⁺ kan deelnemen aan de reductie- en oxidatiereactie; dit zou kunnen leiden tot een afname van de recombinatie van fotogegenereerde e⁻ -h⁺ paren in Ag₃ PO₄ in de composieten. Daarom, rGO/Ag₃ PO₄ QD-composiet vertoonde een superieure fotokatalytische activiteit dan die van Ag₃ PO₄ QD's.

een Fotoluminescentiespectra van Ag₃ PO₄ QD's, R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5 en R-3 en b het effect van verschillende quenchers op de fotokatalytische afbraak van MB

Om de belangrijkste actieve soorten in het fotokatalyseproces verder te bevestigen via rGO/Ag₃ PO₄ QDs, MB werd gebruikt als verontreinigende stof. De resultaten worden getoond in Fig. 8b. Hierin wordt, na de toevoeging van isopropanol (als hydroxylradicaalvanger) [56], de katalytische activiteit van rGO/Ag₃ PO₄ QD's werden niet duidelijk beïnvloed; toen EDTA (als hole capture) [57] werd toegevoegd, werd de fotokatalytische afbraak van MB sterk geremd. Wanneer p-benzochinon (BQ, O₂ ·⁻ scavenger) is toegevoegd, de deactivering van rGO/Ag₃ PO₄ QD's waren niet te verwaarlozen. De bovenstaande resultaten illustreerden dat gaten en O₂ ·⁻ radicalen waren de belangrijkste actieve soorten in het fotokatalyseproces.

Het mechanisme voor de fotokatalytische afbraak van organische kleurstoffen door rGO/Ag₃ PO₄ QD's worden getoond in Fig. 9. Bij blootstelling aan zichtbaar licht, Ag₃ PO₄ QD's waren foto-geëxciteerd en elektronen werden geëxciteerd van valentieband naar geleidingsband; daarna konden de elektronen naar rGO worden overgebracht vanwege het effect van het elektrische veld, en vervolgens werden elektronen opnieuw overgebracht naar het oppervlak van rGO om deel te nemen aan de fotokatalytische reactie. rGO zou e⁻ . efficiënt kunnen scheiden -h⁺ paren, maakten dus gebruik van de overdracht van de elektronen [23] en leidden tot de bevorderde fotokatalytische activiteit van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten.

Het mechanisme voor de fotokatalytische afbraak van organische kleurstoffen op het oppervlak van rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten

Conclusies

Een nieuwe rGO/Ag₃ PO₄ QD-composiet werd bereid via een gemakkelijke foto-ultrasoon-ondersteunde reductiemethode. De verkregen rGO/Ag₃ PO₄ QD-composieten vertoonden een betere fotokatalytische activiteit onder zichtbaar licht en hoger dan zuiver Ag₃ PO₄ QD's alleen. Dit kwam door de efficiënte e⁻ -h⁺ paren scheiding en snelle elektronenoverdracht in deze heterojuncties. De rGO-bladen bevorderden effectief de scheiding van e⁻ en h⁺ en snelle overdracht van elektronen in de heterostructuurfotokatalysatoren. Experimenten met het opsluiten van vrije radicalen gaven aan dat h⁺ speelde een belangrijke rol bij de fotokatalytische afbraak van kleurstoffen. Het was duidelijk dat de ultrasoon ondersteunde methode een gemakkelijke en economische manier was om op zichtbaar licht reagerende en zeer efficiënte Ag₃ te bereiden. PO₄ Op QD's gebaseerde composieten.

Afkortingen

2D:: Tweedimensionaal
BQ:: p-benzochinon
CB:: Geleidingsband
CVD:: Chemische dampafzetting
EDTA:: Dinatriumethyleendiaminetetraacetaat
GO:: Grafeenoxide
IPA:: Isopropanol
MB:: Methyleenblauw
MO:: Methylsinaasappel
QD's:: Kwantumstippen
R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5 en R-3:: Inhoud van rGO in composieten 1,5, 2,0, 2,3, 2,5 en 3,0 gew%
rGO:: Grafeen
RhB:: Rhodamine B
W_composiet :: Gewicht van composieten
W_rGO :: Gewicht van grafeem