Fabrikatie en fotokatalytische eigenschap van nieuwe SrTiO3/Bi5O7I nanocomposieten

Abstract

De roman SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten werden met succes vervaardigd door een thermische ontledingsbenadering. De voorbereide monsters werden gekarakteriseerd met XRD-, XPS-, SEM-, EDS-, FTIR-, DRS- en PL-spectra. De resultaten laten zien dat de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten zijn samengesteld uit perovskiet SrTiO₃ nanodeeltjes en tetragonale Bi₅ O₇ Ik nanostaafjes. De SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten vertonen uitstekende fotokatalytische prestaties voor de afbraak van RhB-oplossing onder gesimuleerde zonnestraling, die superieur is aan die van ongerepte Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ . Met name de 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet wordt gevonden als de optimale composieten, waarbij de kleurstofafbraak 89,6% bereikt gedurende 150 minuten fotokatalyse. De fotokatalytische afbraaksnelheid van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet blijkt 3,97 keer en 12,5 keer hoger te zijn dan die van blote Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ , respectievelijk. De experimenten met het vangen van reactieve soorten suggereren dat \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) en gaten de belangrijkste actieve soorten zijn die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van RhB. Bovendien verduidelijken de PL-spectra de effectieve scheiding van foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Verder is het mogelijke fotokatalytische mechanisme van de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten wordt ook opgehelderd op basis van de experimentele bewijzen.

Achtergrond

Kleurstoffen uit de textiel- of verfindustrie hebben veel bezorgdheid gewekt over de impact op de kwaliteit van waterbronnen en de giftige en kankerverwekkende afbraakproducten [1]. Daarom zijn er meer competente behandelingstechnieken nodig voor de volledige verwijdering van kleurstoffen uit afvalwater. Er zijn verschillende conventionele methoden toegepast met fysische, chemische en biologische methoden voor het verwijderen van kleurstoffen uit afvalwater [2]. Deze methoden kunnen kleurstoffen uit afvalwater verwijderen, maar ze zijn vaak duur, inefficiënt en produceren secundaire afvalproducten [3, 4]. Van de verschillende technologieën voor de behandeling van afvalwater met kleurstof heeft op halfgeleiders gebaseerde fotokatalyse veel belangstelling gekregen en wereldwijde aandacht getrokken [5,6,7]. Dit komt omdat het zonne-energie gebruikt voor de afbraak van kleurstofverontreinigende stoffen, waarvan de energiebron overvloedig, onuitputtelijk, niet-vervuilend en gratis is [8, 9]. Op dit moment is TiO₂ is de meest gebruikte fotokatalysator voor halfgeleiders vanwege zijn hoge fotoactiviteit, lage kosten, chemische en fotochemische stabiliteit, niet-toxiciteit en milieuvriendelijke eigenschappen. Het vertoonde echter een zeer lage fotokatalytische activiteit onder bestraling met zichtbaar licht vanwege de brede bandafstand van 3,2 eV en de snelle recombinatie van fotogegenereerde dragers [10]. Om de bovengenoemde problemen effectief op te lossen, is veel werk besteed aan de oppervlaktemodificatie of de combinatie van halfgeleiderfotokatalysatoren [11]. Desalniettemin blijft de ontwikkeling van nieuwe en zeer efficiënte fotokatalysatoren een grote uitdaging [12].

Bi₅ O₇ I is een nieuw gevonden p-type halfgeleider, die een relatief positiever valentieband (VB)-niveau vertoont dan andere bismut-oxyjodiden door meer foto-geëxciteerde gaten te verschaffen en vervolgens de scheiding van fotogegenereerde dragers vergemakkelijkt [13]. Daarom is de Bi₅ O₇ I fotokatalysator vertoont een hoge activiteit voor de fotodegradatie van Rhodamine B (RhB) in water en aceetaldehyde onder bestraling met zichtbaar licht [14]. Helaas is de praktische toepassing van Bi₅ O₇ De fotokatalysator in de decontaminatie van het milieu is nog steeds beperkt, wat wordt toegeschreven aan de lage overdrachtsefficiëntie die wordt veroorzaakt door de recombinatie van door foto gegenereerde elektronen en gaten [15]. Om de fotoactiviteit van Bi₅ . verder te verbeteren O₇ I, er zijn veel pogingen gedaan, zoals doping met metalen of niet-metalen [16], of koppeling met andere halfgeleiders. Huang et al. gesynthetiseerde g-C₃ N₄ /Bi₅ O₇ I heterojunctie via een co-kristallisatiemethode, en het composiet vertoonde een afbraaksnelheid die 2,9 keer hoger was dan die van zuiver Bi₅ O₇ ik [17]; Chen et al. gefabriceerde Bi₅ O₇ I/Bi₂ O₃ composiet via chemische etsmethode, die een hoge fotokatalytische activiteit vertoonde bij de ontleding van malachietgroen [18]; Hu et al. meldde dat een composiet bestaande uit n-type Sr₂ TiO₄ en p-type Bi₅ O₇ Ik vertoonde een verhoogde fotoactiviteit vanwege de remming van elektron-gat-recombinatie [19]; Cu et al. gefabriceerde AgI/Bi₅ O₇ Ik hybride via een eenvoudige eenstaps ionische reactie, en de AgI/Bi₅ O₇ Ik composiet verbeterde de fotokatalytische activiteit [20], enzovoort. Deze resultaten toonden aan dat Bi₅ O₇ I-gebaseerde composieten vertoonden een verbeterde fotokatalytische prestatie onder bestraling met zichtbaar licht. Daarom kunnen we Bi₅ . fabriceren O₇ I-gebaseerde composieten door koppeling aan een andere halfgeleider met geschikte geleidingsband (CB) en VB-posities als een veelbelovende door zichtbaar licht aangedreven fotokatalysator. Onder verschillende kandidaten, strontiumtitanaat (SrTiO₃ ) is een n-type halfgeleidermateriaal, dat uitgebreid is bestudeerd vanwege zijn vele uitstekende eigenschappen, bijvoorbeeld thermische stabiliteit, goede hittebestendigheid, corrosie en weerstand [21,22,23]. Pure SrTiO₃ absorbeert alleen UV-licht vanwege de brede bandafstand van 3,1~3,4 eV [24]. Gelukkig heeft de VB van SrTiO₃ is gepositioneerd tussen de CB en VB van Bi₅ O₇ I, terwijl zijn CB zich boven de CB van Bi₅ . bevindt O₇ I. Gezien de structurele voordelen van Bi₅ O₇ I, combinatie van SrTiO₃ met Bi₅ O₇ Ik vorm de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I composiet kan een haalbare en aan te raden manier zijn om de hoge fotokatalytische activiteit te realiseren.

In dit werk wordt een serie SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet fotokatalysatoren werden voor het eerst gesynthetiseerd. Hun kristalfase, microstructuur en optische eigenschappen werden onderzocht met een reeks technieken. De SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten vertoonden een verbeterde fotokatalytische prestatie bij de afbraak van Rhodamine B (RhB) -oplossing onder gesimuleerde zonnelichtbestraling. Verder is het mogelijke fotokatalytische mechanisme van de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten werd ook opgehelderd op basis van de experimentele bewijzen.

Methoden

Voorbereiding van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Composieten

SrTiO₃ nanodeeltjes en SrTiO₃ /BiOI-composieten werden eerst gesynthetiseerd via een sol-gel-methode zoals beschreven in de literatuur [25, 26]. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I composieten werden vervolgens gesynthetiseerd door een thermische ontledingsroute. Alle chemische reagentia werden zonder verdere zuivering direct voor de experimenten gebruikt. Tijdens de thermische ontleding wordt de as-bereide SrTiO₃ /BiOI-composieten werden in een buisoven geplaatst en het verwarmingsprogramma werd als volgt ingesteld:helling bij 5 °C min^− 1 tot 500 ° C continu en gedurende 3 uur op 500 ° C gehouden. Vervolgens werd de oven op natuurlijke wijze afgekoeld tot kamertemperatuur om 10 gew.% SrTiO₃ te verkrijgen /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet. Overige SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposietmaterialen met verschillende SrTiO₃ inhoud werd op dezelfde manier gefabriceerd.

Voorbeeldkarakterisering

De kristalstructuren van de gesynthetiseerde monsters werden gekarakteriseerd met behulp van röntgendiffractie (XRD) met Cu K_α straling (D/max-2500, Rigaku). De morfologie van de monsters werd onderzocht met een ultrahoge resolutie veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM; SUAPR55, Duitsland Zeiss) met energie-disperse röntgenspectroscopie (EDS). De elementaire oppervlaktecomponent en de chemische toestand van de monsters werden geanalyseerd met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS; Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, VK) met een gemonochromatiseerd Al K_α Röntgenbron (hν = 1486.6 eV). De ultraviolet-zichtbare (UV-vis) diffuse reflectiespectra (DRS) werden verkregen met behulp van een UV-vis-spectrofotometer (UV-2450, Shimadzu). De functionele groepen op het oppervlak van de monsters werden onderzocht in een Nicolet iS50 fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR; Thermo Fisher Scientific, VS). De fotoluminescentie (PL) emissiespectra werden gemeten op een LH110911 steady-state fluorescentiespectrometer.

Fotokatalytische evaluatiestudies

De fotokatalytische activiteit van de materialen werd geëvalueerd via de ontleding van RhB onder gesimuleerde zonnestraling (UV-licht) in een fotoreactieapparaat. Na 30 min adsorptie in het donker is de adsorptie-desorptie in evenwicht tussen fotokatalysator en RhB-moleculen. Een 500 W xenonlamp werd gebruikt als een gesimuleerde zonnelichtbron (UV-lamp). Honderd milligram fotokatalysator was volledig gedispergeerd in 100 ml RhB-oplossing (20 mg/L). Tijdens elk fotokatalytisch experiment werd elke 30 minuten 3 ml van de suspensie eruit gepipetteerd en gecentrifugeerd om katalysatordeeltjes te verwijderen. De concentratie van de RhB werd gemeten met een UV-vis spectrofotometer.

Resultaten en discussie

XRD-analyse

De poeder-XRD-patronen bieden de kristalstructuur en fase-informatie van de gesynthetiseerde monsters, zoals weergegeven in Fig. 1. De SrTiO₃ monster is sterk gekristalliseerd met een perovskietstructuur (JCPDS nr. 35-0734). De diffractiepieken bij de 2θ waarden van 22,75 °, 32,39 °, 39,95 °, 46,47 °, 52,34 °, 57,78 °, 67,82 ° en 77,18 ° kunnen worden geïndexeerd op (100), (110), (111), (200), (210), (211), (220) en (310) kristalvlakken, respectievelijk [27]. Er wordt geen andere specifieke diffractiepiek gedetecteerd. Van het XRD-patroon van pure Bi₅ O₇ Ik kan zien dat de belangrijkste diffractiepieken bij 7,71 °, 13,31 °, 15,38 °, 23,19 °, 28,08 °, 31,09 °, 33,43 °, 46,28 °, 47,69 °, 53,45 °, 56,51 ° en 58,02 ° conform zijn naar de (001), (201), (002), (401), (312), (004), (020), (024), (224), (714), (332) en (624) vliegtuigen van de Bi₅ O₇ I (JCPDS nr. 10-0548), respectievelijk [28]. De sterkste piek komt overeen met het (312) kristalvlak van Bi₅ O₇ I. Van het XRD-patroon van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet, kan worden gevonden dat alle prominente diffractiepieken voortkomen uit tetragonale Bi₅ O₇ Ik en perovskiet SrTiO₃ . Er zijn geen andere duidelijke pieken van onzuiverheid waargenomen, wat aangeeft dat de Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ fasen bestaan naast elkaar in de composiet.

XRD-patronen van pure Bi₅ O₇ Ik, SrTiO₃ en 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet

XPS-analyse

De XPS-metingen bieden meer informatie voor de evaluatie van de oppervlakte-elementsamenstelling en zuiverheid van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet. De bindingsenergie die in de XPS-analyse werd verkregen, werd gecorrigeerd voor het opladen van het monster door C 1 s te verwijzen naar 284,65 eV, en de resultaten worden weergegeven in Fig. 2. Het XPS-onderzoeksscanspectrum van de composiet wordt getoond in Fig. 2a, die de bestaan van Ti-, Sr-, Bi-, I- en O-elementen in de composiet. De twee sterke pieken van 159,02 en 164,25 eV worden respectievelijk toegewezen aan Bi 4f_5/2 en Bi 4f_7/2 pieken van Bi³⁺ in de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten zoals weergegeven in Fig. 2b [29]. In de XPS-spectra van I 3d getoond in Fig. 2c, de twee sterke pieken bij 617,88 en 630,22 eV, overeenkomend met I 3d_5/2 en ik 3d_3/2 , suggereren respectievelijk de − 1-oxidatietoestand van jodium [30]. Zoals weergegeven in Fig. 2d, zijn de bindingsenergieën van Ti 2p_3/2 en Ti 2p_1/2 komen overeen met de pieken bij respectievelijk 457,90 en 463,80 eV in het spectrum van Ti 2p. De piekscheiding tussen de Ti 2p_3/2 en Ti 2p_1/2 is 5,90 eV, wat wijst op een + 4 oxidatietoestand van Ti in de SrTiO3/Bi₅ O₇ I composieten [31]. In figuur 2e komen de pieken bij 132,50 en 134,25 eV overeen met de bindingsenergieën van Sr 3d_5/2 en Sr 3d_3/2 , respectievelijk, wat aangeeft dat het bestaat in de Sr²⁺ staat [32]. In figuur 2f worden de pieken bij 529,65 en 531,25 eV toegeschreven aan O 1 s. De piek bij 529,65 eV wordt toegeschreven aan de roosterzuurstof van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten, en de piek bij 531,25 eV wordt over het algemeen toegeschreven aan de chemisorbed zuurstof veroorzaakt door zuurstofvacatures [33]. Het XPS-resultaat bevestigt verder de vorming van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten en intieme integratie is bereikt, wat goed overeenkomt met de XRD-resultaten.

XPS-patronen van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten:a enquête, b Bi 4f, c ik 3d , d Ti 2p, e Sr 3d en f O1's

SEM- en EDS-analyse

De oppervlaktesamenstellingen en morfologieën van het bereide zuivere SrTiO₃ , Twee₅ O₇ Ik en 30 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet werden waargenomen door FE-SEM. Zoals te zien is in Fig. 3a, pure SrTiO₃ is samengesteld uit bolvormige of bolvormige deeltjes met een diameter in het bereik van 50 ~ 300 nm. De kleinere SrTiO₃ deeltjes zijn duidelijk tot op zekere hoogte geaggregeerd. In Afb. 3b, voor de Bi₅ O₇ Ik nanosheets, ze hebben een gemiddelde grootte van ongeveer 1 m en een dikte in het bereik van 80 ~ 100 nm, wat vergelijkbaar is met de eerder gerapporteerde [13]. Daarentegen wordt na de combinatie de Bi₅ O₇ I is niet van nanosheets maar van nanorods-morfologie, die is geconstrueerd door veel nanorods, zoals weergegeven in figuur 3c. Voor de Bi₅ O₇ I nanostaafjes, de lengte ligt in het bereik van 100 ~ 300 nm en de gemiddelde diameter is ongeveer 80 nm. Het is duidelijk te zien dat SrTiO₃ deeltjes zijn stevig gehecht aan het oppervlak van Bi₅ O₇ I nanostaafjes, en men denkt dat het gunstig is voor de fotokatalytische prestaties. Bovendien werd EDS verder gebruikt om de chemische samenstelling van de 30 gew.% SrTiO₃ te analyseren. /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet. Zoals weergegeven in figuur 3d, kan het waargenomen C-signaal worden afgeleid van de geleidende lijm die wordt gebruikt om het monster te fixeren. Opgemerkt wordt dat EDS geschikt wordt gebruikt voor de kwantitatieve bepaling van het gehalte aan zware elementen (bijv. Bi, Ti, I en Sr), maar niet voor de lichte elementen (bijv. P en O) [34]. De atomaire verhouding van Bi tot I wordt verkregen als 11/63 uit het EDS-spectrum, wat goed overeenkomt met de atomaire verhouding Bi/I van Bi₅ O₇ ik fase. De atomaire verhouding van Sr/Bi is zeer dicht bij 1/12,5, wat impliceert dat SrTiO₃ fase is goed voor ongeveer 30% van het totale molaire gehalte van het composiet.

SEM-afbeeldingen van a pure SrTiO₃ , b pure Bi₅ O₇ ik, c 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet, en d EDS-spectrum van 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet

Optische eigenschappenanalyse

De UV-vis DRS-spectra van de verschillende katalysatoren worden getoond in figuur 4a. De pure SrTiO₃ vertoont een absorptiebandrand bij 380 nm in het UV-gebied, wat kan worden toegeschreven aan de brede bandgap-energie [35, 36]. De Bi₅ O₇ I vertoont een veel langere absorptierand van 520 nm, die kan reageren op het zichtbare licht. De absorptierand van de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten zijn 480 ~ 520 nm. Vergeleken met pure SrTiO₃ , na koppeling met Bi₅ O₇ I nanosheets, de absorptiepiekintensiteit van de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten aanzienlijk verbeterd.

een DRS-spectra van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik nanocomposieten en b de Tauc-plot van (Ahν)^1/2 versus hν de pure Bi₅ O₇ Ik en 30 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet, de Tauc-plot van (Ahν)² versus hν de pure SrTiO₃ inzet foto van b

Gebaseerd op de absorptiespectra, de E _g van de halfgeleider kan worden berekend uit de Aһν = A (һν − E _g )^{n /2} vergelijking [37]. De waarden van n voor SrTiO₃ en Bi₅ O₇ Ik ben respectievelijk 4 en 1. De band gap-energie van de SrTiO₃ kan worden geschat vanaf de plot (Aһν)² versus ploton-energie (һν), en de bandgap-energie van de Bi₅ O₇ Ik kan worden geschat op basis van de plot (Aһν)^1/2 tegen . Het snijpunt van de raaklijn aan de X as geeft een benadering van de bandgap-energie van de monsters zoals weergegeven in figuur 4b. De waarden van band gap-energie van pure Bi₅ O₇ ik, 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet en pure SrTiO₃ zijn respectievelijk ongeveer 2,31, 2,38 en 3,2 eV, wat consistent is met de gerapporteerde waarden in de relevante literatuur [38, 39].

FTIR-spectroscopie-analyse

De Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten werden verder gekarakteriseerd met behulp van FTIR-spectroscopie om hun chemische binding te analyseren. Zoals weergegeven in Fig. 5. Het is te zien dat in bijna alle monsters de adsorptiebanden van 3445,5 en 1621,9 cm⁻¹ waren te wijten aan de O-H-rektrillingen en vervormingstrillingen van chemisch gesorbeerde watermoleculen [40]. De band op 2906,5 cm⁻¹ wordt toegeschreven aan de Ti-O-rektrilling [41]. De andere pieken in het bereik van 1471,6–500 cm⁻¹ komen overeen met de rek- en vervormingsmodi die betrekking hebben op Bi-O-bindingen [42].

FTIR-spectra van de zuivere Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik nanocomposieten

Fotokatalytische activiteit

Als Bi₅ O₇ Ik en SrTiO₃ hebben een zeer duidelijke foto-absorptie en SrTiO₃ reageert voornamelijk op UV-licht, gesimuleerd zonlicht en UV-licht onder dezelfde omstandigheden worden afzonderlijk gebruikt als lichtbron om de fotokatalytische prestaties van Bi₅ te onderzoeken O₇ Ik, SrTiO₃ , en SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten. Figuur 6a toont de degradatiecurves van RhB onder gesimuleerde zonnestraling. Er wordt waargenomen dat RhB stabiel is en nauwelijks ontleedt zonder de katalysator onder gesimuleerde zonnestraling gedurende 150 minuten. De pure SrTiO₃ vertoont matige katalytische activiteit en slechts 18% RhB-reductie werd bereikt na 150 minuten bestraling. Het wordt toegeschreven aan de lage lichtabsorptie van SrTiO₃ in het zichtbare lichtgebied of zijn energieën met een grote bandafstand. Pure Bi₅ O₇ I vertoont een zeer duidelijke activiteit die meer dan 52% van RhB in 150 minuten degradeert. Vergeleken met pure SrTiO₃ en Bi₅ O₇ Ik, de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten vertonen een aanzienlijk verbeterde fotokatalytische activiteit onder dezelfde omstandigheden. Met de toename van SrTiO₃ gehalte van 10 tot 40%, de fotokatalytische activiteit van de composieten neemt eerst toe en vervolgens af, en de hoogste fotokatalytische activiteit wordt waargenomen voor de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet. Voor deze optimale composiet bereikt de kleurstofafbraak ongeveer 89,6% onder gesimuleerde zonnelichtbestraling gedurende 150 minuten. Een dergelijke hoge activiteit kan worden toegeschreven aan de door foto gegenereerde elektronen met een snellere mobiliteit en scheiding.

een Fotokatalytische afbraak van RhB-oplossing voor alle monsters onder gesimuleerde zonnelichtbestraling. b Plots van -ln(C_t /C₀ ) vs tijd voor alle monsters. c Fotokatalytische afbraak van RhB-oplossing voor alle monsters onder UV-lichtverlichting. d Fietsdegradatie-efficiëntie van RhB over de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik nanocomposieten

Om de reactiekinetiek van RhB-fotokatalytische afbraak voor verschillende fotokatalysatoren beter te begrijpen, werd de fotokatalytische degradatie-efficiëntie berekend met behulp van de volgende vergelijking:ln(C) ₀ /C _t ) = K _app t , waar C ₀ , C _t , en K _app zijn representatief voor respectievelijk de initiële concentratie, de concentratie op tijdstip t en de schijnbare pseudo-eerste-orde snelheidsconstante [43]. De -ln(C_t /C₀ ) vertoont een goed lineair verband met de bestralingstijd en de fotokatalytische reactie behoort tot de pseudo-eerste-ordereactie zoals weergegeven in figuur 6b. De k _app waarden verkregen voor Bi₅ O₇ Ik, SrTiO₃ , 10 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik, 20 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik, 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik en 40 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten zijn 1,16 × 10⁻³ , 4.88 × 10⁻³ , 9 × 10⁻³ , 1.06 × 10⁻² , 1.45 × 10⁻² , en 9,24 × 10⁻³ min⁻¹ , respectievelijk. Het is opvallend dat de 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet vertoont de maximale fotokatalytische reactiesnelheidsconstante, die ongeveer 2,97 keer hoger is dan die van blote Bi₅ O₇ I, en 12,5 keer hoger dan die van pure SrTiO₃ .

De RhB-degradatiecurven over alle monsters onder bestraling met UV-licht worden verder getoond in Fig. 6c. Het is duidelijk te zien dat het fenomeen vergelijkbaar is met dat in figuur 6a. Alle monsters vertonen echter een zeer lage fotokatalytische efficiëntie vanwege de geringe absorptie van UV-licht, en kleurstofsensibilisatie heeft een effect op de fotokatalytische activiteit. Zoals weergegeven in Afb. 6a, is de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet vertoont nog steeds de beste activiteit; de fotodegradatie van RhB is echter slechts 40% binnen 150 minuten. Deze resultaten tonen aan dat de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten hebben een efficiëntere fotokatalytische activiteit onder gesimuleerde zonnestraling.

De stabiliteit en herbruikbaarheid van de 30 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet werd uitgevoerd door de tests voor de RhB-afbraak te herhalen. Na elke cyclus wordt de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten werden hergebruikt in de volgende cyclus voordat ze werden verzameld door centrifugeren, verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water en ethylalcohol en uiteindelijk 3 uur bij 80 ° C gedroogd. Zoals getoond in Fig. 6d, neemt de fotokatalytische activiteit van het composiet niet duidelijk af, zelfs niet na de vijfde recycling onder gesimuleerde zonnestraling, wat een goede stabiliteit suggereert voor het recyclen van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet.

Overleg over fotokatalytisch mechanisme

Om enig inzicht te krijgen in de actieve soorten die betrokken zijn bij de fotodegradatie van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten, we hebben experimenten met het vangen van reactieve soorten uitgevoerd over de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet om de belangrijkste actieve soorten in fotokatalytische reactie vast te stellen. Zoals getoond in Fig. 7 heeft de toevoeging van de isopropanol (IPA) bijna geen effect op de RhB-afbraak via de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten, wat aangeeft dat er geen •OH-radicalen worden gegenereerd. Integendeel, een significante afname van de kleurstofafbraak wordt waargenomen na toevoeging van benzoquinon (BQ) of ethyleendiaminetetraazijnzuurdinatriumzout (EDTA-2Na), wat impliceert dat \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{- } \) en gaten zijn de primaire reactieve stoffen voor RhB-fotodegradatie.

De degradatie-efficiëntieconstante van RhB over de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet in aanwezigheid van verschillende aaseters

Om de ladingsscheiding van de voorbereide fotokatalysatoren te onderzoeken, werd de PL-spectroscopie verder geïntroduceerd. Afbeelding 8 toont de vergelijking van de PL-spectra tussen Bi₅ O₇ Ik en 30 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet onder de bekrachtiging bij 320 nm. De PL-spectra van beide monsters worden gekenmerkt door een piek bij 497 nm, die wordt toegeschreven aan de emissie van bandgap-overgangsenergie van Bi₅ O₇ I. Er is echter een scherpe afname in de intensiteit van de 30 gew.% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet. Dit fenomeen demonstreert een efficiënte scheiding van de fotogegenereerde dragers in de composiet tussen SrTiO₃ en Bi₅ O₇ ik.

PL-spectra van zuivere Bi₅ O₇ I nanosheets en 30 gew% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposiet

Om het mechanisme van de verbeterde fotokatalytische activiteit van de SrTiO₃ . beter te begrijpen /Bi₅ O₇ I nanocomposieten onder gesimuleerde zonnestraling, de corresponderende CB- en VB-posities voor SrTiO₃ en Bi₅ O₇ Ik ben theoretisch berekend volgens \( {E}_{VB}=\chi -{E}_0+\frac{1}{2}{E}_g \) en E _CB = E _VB − E _g , waar E _VB is de VB-potentiaal, E _CB is de CB-potentiaal, E ₀ is de energie van vrije elektronen op de waterstofschaal (ca. 4,5 eV), E _g is de bandgap-energie, en χ wordt berekend als het geometrische gemiddelde van de Mulliken-elektronegativiteiten van de componenten in de halfgeleider [44]. Daarom is de E _VB en E _CB van Bi₅ O₇ Ik werd berekend op 2,92 en 0,56 eV, terwijl de energieën van SrTiO₃ waren respectievelijk ongeveer 2,03 en − 1,15 eV. Deze twee halfgeleiders hebben geschikte bandpotentialen en kunnen dus een composietstructuur construeren.

Volgens de bovenstaande resultaten, een schematische illustratie van energiebanden die overeenkomen tussen SrTiO₃ en Bi₅ O₇ I en mogelijke manieren om kosten over te dragen worden weergegeven in Afb. 9. Beide SrTiO₃ en Bi₅ O₇ Ik ben opgewonden onder gesimuleerd zonlicht (UV-licht), en de elektronen in het VB van beide SrTiO₃ en Bi₅ O₇ Ik zou enthousiast zijn om de CB, de gaten bleven in zijn VB. Als het CB-potentieel van SrTiO₃ (− 1.15 eV) is negatiever dan die van Bi₅ O₇ I (+ 0,56 eV), de elektronen van SrTiO₃ worden gemakkelijk geïnjecteerd in de CB van Bi₅ O₇ I. De fotogegenereerde elektronen zouden kunnen reageren met O₂ om actieve zuurstofspecies superoxide-radicaal (\( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \)) te produceren, die vervolgens de RhB-degradatie induceert [45]. Aan de andere kant, de gaten in de VB van Bi₅ O₇ Ik migreer naar de VB van SrTiO₃ , wat resulteert in een effectieve scheiding van de fotogeïnduceerde elektronen en gaten. Op deze manier worden de door foto gegenereerde elektronen en gaten effectief gescheiden in de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten. Het VB van SrTiO₃ is 2,23 eV, lager dan de redoxpotentiaal van •OH/H₂ O (+ 2,27 eV). Volgens de relevante rapporten [46, 47] heeft het VB van SrTiO₃ is onvoldoende om H₂ . te oxideren O in •OH. Het geeft aan dat \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) en gaten de belangrijkste actieve zuurstofsoorten zijn voor SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten in de RhB-verkleuring, onder gesimuleerde zonnelichtbestraling. Daarom is de gesynthetiseerde SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposiet fotokatalysator vertoont een veel hogere fotokatalytische prestatie dan die van SrTiO₃ en Bi₅ O₇ ik.

Het schematische energiebanddiagram en mogelijk fotokatalytisch proces van SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ik nanocomposieten

Conclusies

Samengevat, nieuwe SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten fotokatalysatoren zijn ontworpen en gefabriceerd door een solvothermische benadering in combinatie met thermische ontleding. XRD-, XPS- en EDS-metingen illustreren dat de producten inderdaad SrTiO₃ . zijn /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten. UV-vis DRS-analyse laat zien dat de SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposieten hebben een goede prestatie van lichtabsorptie. De resultaten van PL-spectra laten zien dat de recombinatie van foto-geïnduceerde elektron-gat-paren duidelijk wordt geremd in SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ik nanocomposieten. De verkregen nanocomposieten vertonen een goede stabiliteit en een recyclagecapaciteit in het fotokatalytische proces. De gesynthetiseerde SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I photocatalysts exhibit a highly efficient photocatalytic property for the degradation of RhB under simulated solar light irradiation, which is superior to that of SrTiO₃ and Bi₅ O₇ I. The outstanding photocatalytic activity of the photocatalysts is ascribed to the efficient separation and migration of photogenerated charge carriers. The \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) and holes are the main oxygen-active species causing the dye degradation. This work could provide insights into the design and development of other excellent photocatalytic materials for environmental and energy applications.