Vervaardiging van Z-schema Ag3PO4/TiO2 heterostructuren voor het verbeteren van zichtbare fotokatalytische activiteit

Abstract

In dit artikel wordt een synthetische studie van het samengestelde Ag₃ PO₄ /TiO₂ fotokatalysator, gesynthetiseerd door een eenvoudige tweestapsmethode, wordt uitgevoerd. Aanvullende karakteriseringstools zoals röntgendiffractie, scanning-elektronenmicroscopie, transmissie-elektronenmicroscopie, hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie, energiedispersieve röntgenspectroscopie, röntgenfoto-elektronenspectroscopie en UV-vis diffuse reflectiespectroscopie werden in dit onderzoek toegepast. . De resultaten toonden aan dat zeer kristallijne en goede morfologie kan worden waargenomen. In het experiment van fotokatalytische prestaties, TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ toont de beste fotokatalytische activiteit en de fotokatalytische afbraaksnelheid bereikte bijna 100% na 25 min belichten. De reactiesnelheidsconstante van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ is de grootste, namelijk 0,02286 min⁻¹ , tweemaal die van Ag₃ PO₄ en 6,6 keer die van de minimumwaarde van TiO₂ 400. Het degradatie-effect van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ vertoont een goede stabiliteit na vier keer recyclen van de fotokatalysator. Vangexperimenten voor de actieve katalytische soorten laten zien dat de belangrijkste factoren gaten zijn (h⁺ ) en superoxide-anionen (O·− 2), terwijl hydroxylradicaal (·OH) gedeeltelijk afbraak speelt. Op basis hiervan wordt een Z -schema reactiemechanisme van Ag₃ PO₄ /TiO₂ heterogene structuur wordt naar voren gebracht en het afbraakmechanisme ervan wordt uiteengezet.

Achtergrond

Halfgeleiderfotokatalysatoren hebben steeds meer belangstelling gekregen vanwege het veelvuldige gebruik in de afbraak van organische verontreinigende stoffen en zonnecellen [1,2,3,4,5,6]. Als de vertegenwoordiger van op halfgeleiders gebaseerde fotokatalysatoren, TiO₂ is uitgebreid onderzocht vanwege zijn uitstekende fysisch-chemische eigenschappen [7, 8]. Echter, de pure TiO₂ fotokatalysator heeft bepaalde nadelen in praktische toepassingen, zoals de brede bandafstand (3,2 eV voor anatase en 3,0 eV voor rutiel), wat leidt tot een slechte zichtbare respons.

Een op zilver gebaseerde verbinding zoals Ag₂ O, AgX (X =Cl, Br, I), Ag₃ PO₄ , Ag₂ CrO₄ , zijn recentelijk gebruikt voor fotokatalytische toepassingen [9,10,11,12]. Onder andere zilverorthofosfaat (Ag₃ PO₄ ) heeft al de aandacht getrokken van veel onderzoekers omdat Ag₃ PO₄ heeft een band gap van 2.45 eV en een sterke absorptie bij minder dan 520 nm. De kwantumopbrengst van Ag₃ PO₄ bedraagt meer dan 90%. Het is een goede fotokatalysator voor zichtbaar licht. Vanwege de vorming van Ag⁰ op het oppervlak van de katalysator (4Ag₃ PO₄ + 6H₂ O + 12u⁺ + 12e⁻ → 12Ag⁰ + 4H₃ PO₄ + 3O₂ ) tijdens de fotokatalytische reactie, het hergebruik van Ag₃ PO₄ is een groot probleem. Daarom is het een gangbare praktijk om fotokatalytische corrosie van Ag₃ . te verminderen PO₄ en zorgen voor een goede katalytische activiteit van Ag₃ PO₄ . Op basis van literatuurvoorrang is het bekend dat compounding de fotokatalytische prestatie van beide halfgeleidermaterialen effectief kan verbeteren. Na compounding wordt het scheidingseffect van fotogegenereerde elektronen en gaten versterkt, wat bijdraagt aan de verbetering van de fotokatalytische activiteit van composietmaterialen. Talloze onderzoekers hebben heterojuncties onderzocht, zoals Bi₂ O₃ -Bi₂ WO₆ , TiO₂ /Bi₂ WO₆ , ZnO/CdSe en Ag₃ PO₄ /TiO₂ [2, 13,14,15]. Vergeleken met enkelfasige fotokatalysatoren kunnen heterojunctiefotokatalysatoren het lichtresponsbereik uitbreiden door aangepaste elektronische structuurmaterialen te koppelen. En vanwege het synergetische effect tussen componenten, kan lading op vele manieren worden overgedragen om de fotokatalytische activiteit van heterojunctie verder te verbeteren.

Op basis van de bovenstaande analyse, Ag₃ PO₄ -gebaseerde halfgeleidercomposieten met synergetisch verbeteringseffect werden ontworpen om carrierrecombinatiedefecten en Ag₃ te verbeteren PO₄ gebaseerde katalytische prestaties van halfgeleidercomposieten. In dit artikel, nano-formaat TiO₂ werd bereid door de solvothermische methode, en vervolgens de nanodeeltjes van TiO₂ 400 werden afgezet op het oppervlak van Ag₃ PO₄ bij kamertemperatuur om TiO₂ . te verkrijgen /Ag₃ PO₄ composieten. De fotokatalytische activiteit van TiO₂ /Ag₃ PO₄ composiet werd getest met RhB-kleurstof (rhodamine B).

Methoden

Hydrothermische voorbereiding van TiO op nanoschaal₂

0,4 g P123 werd toegevoegd aan een gemengde oplossing die 7,6 mL absolute ethanol en 0,5 ml gedeïoniseerd water bevatte en geroerd totdat P123 volledig was opgelost. De geklaarde oplossing werd gelabeld als A-oplossing. Vervolgens werd een gemengde oplossing met 2,5 mL butyltitanaat (TBOT) en 1,4 mL geconcentreerd zoutzuur (12 mol/L) bereid en gelabeld als B-oplossing. De oplossing B werd druppelsgewijs aan oplossing A toegevoegd. Na 30 min roeren werd 32 mL ethyleenglycol (EG) aan de oplossing toegevoegd en 30 min geroerd. Vervolgens werd de oplossing 24 uur in de oven geplaatst bij 140 °C, hoge temperatuur en hoge druk. Natuurlijke koeling, centrifugaal wassen, scheiden, verzamelen van sedimenten en drogen in een oven van 80 °C gedurende 8 uur. De witte neerslag werd gecalcineerd in een moffeloven bij verschillende temperaturen (300 °C, 400 °C, 500 °C) en gemarkeerd als standby van TiO₂ 300, TiO₂ 400 en TiO₂ 500, respectievelijk.

Voorbereiding van TiO₂ /Ag₃ PO₄ Fotokatalysator

De 0,1 g TiO₂ poeder werd toegevoegd aan de 30 ml zilvernitraatoplossing die 0,612 g AgNO₃ bevatte en vervolgens behandeld met ultrageluid gedurende 30 min om TiO₂ . te maken gelijkmatig verspreid. We hebben een oplossing van 30 ml toegevoegd die 0,43 g Na₂ . bevat HPO₄ .12H₂ O en 120 min geroerd bij omgevingstemperatuur. Door middel van centrifugatie, reiniging met gedeïoniseerd water en watervrije ethanol, werden de precipitaten afgescheiden, verzameld en gedroogd bij 60°C. De producten werden genoemd als TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO_4, en TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ , respectievelijk. Ag₃ PO₄ is bereid zonder toevoeging van TiO₂ onder dezelfde voorwaarden als het bovenstaande proces.

Karakterisering

De röntgendiffractie (XRD) patronen van de resulterende monsters werden uitgevoerd op een D/MaxRB röntgendiffractometer (Japan), die een 35 kV Cu-Ka heeft met een scansnelheid van 0,02° s⁻¹ , variërend van 10 tot 80°. Scanning-elektronenmicroscopie (SEM), JEOL, JSM-6510 en JSM-2100 transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -assemblage met energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) werden gebruikt om de morfologie ervan te bestuderen bij een versnellingsspanning van 10 kV. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) informatie werd verzameld met behulp van een ESCALAB 250 elektronenspectrometer onder 300-W Cu Ka-straling. De basisdruk was ongeveer 3 × 10⁻⁹ mbar, Combineer om te verwijzen naar de C1s-lijn bij amorf koolstof 284,6 eV.

Fotokatalytische activiteitsmaatstaf

De fotokatalytische prestaties van TiO₂ /Ag₃ PO₄ katalysatoren werd getest door de fotodegradatie van RhB in waterige oplossing als onderzoeksobject te gebruiken. Vijftig milligram van de fotokatalysator werd gemengd met 50 mL waterige RhB-oplossing (10 mg L⁻¹ ) en gedurende een bepaalde tijd in het donker geroerd voor verlichting om de adsorptiebalans te garanderen. Bij het reactieproces wordt koelwater gebruikt om de systeemtemperatuur constant op kamertemperatuur te houden. Een Xenonlamp van 1000 W zorgt voor verlichting om zichtbaar licht te simuleren. LAMBDA35 UV/Vis-spectrofotometer werd gebruikt om de concentratie te karakteriseren (C ) verandering van RhB-oplossing bij λ = 553 nm. De ontkleuringssnelheid wordt aangegeven als een functie van tijd vs C _t /C ₀ . Waar C ₀ is de concentratie vóór verlichting, en C _t is de concentratie na belichting. Gebruikte katalysatoren werden teruggewonnen om de cyclusstabiliteit van de katalysatoren te detecteren. Het experiment werd vier keer herhaald.

Resultaten en discussie

XRD-analyse wordt gebruikt om de fasestructuur en het kristallijne type katalysator te bepalen. De XRD-spectra van de bereide katalysatoren werden getoond in Fig. 1, inclusief TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ /Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ . Uit de figuur kan worden afgeleid dat de kristalstructuur van TiO₂ 400 is anatase (JCPDS nr. 71-1166). In de XRD-spectra van Ag₃ PO₄ , behoren de diffractiepieken op 20,9 °, 29,7 °, 33,3 °, 36,6 °, 47,9 °, 52,7 °, 55,1 °, 57,4 °, 61,7 ° en 72,0 ° tot de karakteristieke pieken van (110), (200), (210), (211), (310), (222), (320), (321), (400) en (421) vlakken van Ag₃ PO₄ (JCPDS nr. 70-0702), respectievelijk. De gesynthetiseerde composietfotokatalysatoren vertoonden karakteristieke pieken die consistent waren met TiO₂ en Ag₃ PO₄ , en de karakteristieke pieken van TiO₂ waren 25,3° bij de samengestelde TiO₂ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ , wat consistent was met de calcineringstemperatuur van TiO₂ stijging, de kristalliniteit van TiO₂ wordt hoger.

De XRD-patronen van de voorbereide monsters

Figuur 2 toont de SEM-, TEM- en EDX-diagrammen van de katalysatoren van TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Figuur 2a is de bolvormige nanostructuur TiO₂ 400 bereid volgens de solvothermische methode met een diameter van 100 tot 300 nm. Figuur 2b is de Ag₃ PO₄ kristal met een regelmatige hexaëdrische structuur. De deeltjesgrootte varieert van 0,1 tot 1,5 m en heeft een vrij glad oppervlak. Figuur 2c is het SEM-beeld van de composiet TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Het is te zien dat de nanodeeltjes van TiO₂ 400 worden afgezet op het oppervlak van Ag₃ PO₄ . De morfologie van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ werd verder onderzocht met TEM en het TEM-diagram van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ wordt weergegeven in Fig. 2d. Er kan worden waargenomen dat 200 nm nano-sized TiO₂ deeltjes hechten aan het oppervlak van Ag₃ PO₄ . Figuur 2e is de HRTEM van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Het kan worden vastgesteld dat TiO₂ deeltjes zijn nauw gebonden aan Ag₃ PO₄ , en de roosterafstand van TiO₂ 400 en Ag₃ PO₄ zijn respectievelijk 0,3516 en 0,245 nm, overeenkomend met (101) en (211) oppervlakken van TiO₂ en Ag₃ PO₄ . Figuur 2f is het EDX-diagram van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Het is te zien dat het monster uit vier elementen bestaat:Ti, O, Ag en P. De voor de hand liggende diffractiepiek van het koperelement wordt geproduceerd door de EDX-excitatiebron, Cu Ka. EDX bevestigde de overeenkomstige chemische elementen van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Concluderend kan duidelijk worden vastgesteld dat TiO₂ wordt geladen op het oppervlak van Ag₃ PO₄ kristallen in korrelvorm en heeft een goede hexahedron-morfologie.

SEM-afbeeldingen van voorbereide fotokatalysatoren:a TiO₂ 400, b Ag₃ PO₄ , c TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , d TEM-afbeelding van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , e HRTEM-beeld van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en f corresponderend EDX-patroon van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄

Het product Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) wordt onderzocht in Fig. 3. Figuur 3a is het survey XPS-spectrum van het product. Ti, O, Ag, P en C vijf elementen kunnen worden waargenomen in de grafiek, waarvan C de basis is, wat impliceert dat composiet naast TiO₂ bestond en Ag₃ PO₄ . Figuur 3b is het spectrum met hoge resolutie van Ag 3d. De twee belangrijkste pieken waren gecentreerd op bindingsenergie 366,26 eV en 372,29 eV, respectievelijk toewijzend aan Ag 3d5/2 en Ag 3d3/2,. Het laat zien dat Ag voornamelijk Ag⁺ . is in de fotokatalysator van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ [16]. Figuur 3c toont de XPS-piek van P 2p, wat overeenkomt met P⁵⁺ in de PO₄ ³⁺ structuur bij 131,62 eV. Twee pieken op 457,43 eV en 464,58 eV kunnen worden toegeschreven aan Ti 2p3/2 en Ti 2p1/2 in het XPS-spectrum van Ti 2p-orbitaal (Fig. 3d). Figuur 3e is de XPS van O 1s. De hele piek kan worden onderverdeeld in drie karakteristieke pieken, 528,9 eV, 530,2 eV en 532.1 eV. De pieken bij 528,9 eV en 530,2 eV worden toegeschreven aan zuurstof in Ag₃ PO₄ en TiO₂ roosters resp. De pieken bij 532,1 eV duiden op hydroxylen of de zuurstof geadsorbeerd op het oppervlak van TiO₂ /Ag₃ PO₄ . De resultaten van XPS-analyse bewijzen verder dat Ag₃ PO₄ en TiO₂ zijn verergerd.

XPS-spectrum van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ :een enquêtescan, b Ag 3d, c P 2p, d Ti 2p, en e O1's

De UV-Vis diffuse reflectie-absorptiespectra van de katalysatoren van TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ worden getoond in Fig. 4a. Uit de figuur blijkt dat de optische absorptie-afsnijgolflengten van TiO₂ 400 en Ag₃ PO₄ zijn respectievelijk 400 en 500 nm. Wanneer Ag₃ PO₄ wordt geladen op TiO₂ 400, wordt het lichtabsorptiebereik van de composiet duidelijk breder tot 500-700 nm, wat aangeeft dat er interactie is tussen Ag₃ PO₄ en TiO₂ 400 in het composietsysteem van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en het mechanisme moet verder worden bestudeerd. Bandbreedte van Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400 en TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ katalysatoren wordt berekend met de Kubelka-Munk-formule [17]:

$$ A\mathrm{hv}=c{\left(\mathrm{hv}-\mathrm{Eg}\right)}^n $$

TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ katalysatoren:a UV-Vis DRS, b percelen van (α hv)^1/2 versus energie (hv)

waar A , hv, c , en Eg zijn respectievelijk de absorptiecoëfficiënt, invallende fotonenergie, absorptieconstante en bandafstandsenergie. De waarde van n voor directe halfgeleider is 1/2, en dat voor indirecte halfgeleider is 2. Anatase TiO₂ en Ag₃ PO₄ zijn indirecte halfgeleiders, dus n duurt 2.

De percelen die (α hv)^1/2 versus invallende fotonenergie (hv) uit Fig. 4b geeft de bandgap-energiediagrammen (Eg) van Ag₃ aan PO₄ , TiO₂ 400 en TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ katalysatoren zijn respectievelijk 2,45 eV, 3,1 eV en 2,75 eV. Dit bewijst verder dat TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ is een goede fotokatalysator voor zichtbaar licht met een geschikte bandbreedte en het vermogen om zichtbaar licht op te vangen.

Fotokatalytische afbraak van RhB door TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ werd onderzocht in Fig. 5a. De resultaten toonden aan dat pure TiO₂ 400 had het slechtste fotokatalytische effect en de fotokatalytische afbraaksnelheid was slechts 30% binnen 25 min. De fotokatalytische degradatie-efficiëntie van zuiver Ag₃ PO₄ was 69% na 25 min bestraling. De fotokatalytische afbraaksnelheid van TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ bereikte 40% na 25 min. De fotokatalytische afbraaksnelheid van TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ was 80% na 25 min bestraling. De beste fotokatalytische activiteit was TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en 100% van RhB was afgebroken na 25 min verlichting.

een Effecten van verschillende katalysatoren op fotokatalytische afbraak van RhB onder zichtbaar licht. b Eerste orde kinetische fittingplots van fotokatalytische afbraak van RhB met verschillende katalysatoren. c Fietsroutes van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . d Experimenten met het vangen van actieve soorten

Figuur 5b bestudeerde het kinetische model van fotokatalytische afbraak van RhB. Uit de figuur werd de fotodegradatie van RhB gevolgd door pseudo-eerste-orde kinetiek en de reactiesnelheidsconstante (k ) werd berekend met de helling van de passende curven. De reactiesnelheidsconstante (k ) waarden van elk monster werden getoond in Tabel 1. De reactiesnelheidsconstanten van TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , en TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ waren 0,00345 min⁻¹ , 0,01148 min⁻¹ , 0,00525 min⁻¹ , 0,02286 min⁻¹ , en 0,01513 min⁻¹ , respectievelijk. Het voorbeeld TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ heeft de grootste reactiesnelheidsconstante, namelijk 0,02286 min⁻¹ , tweemaal die van Ag₃ PO₄ en 6,6 keer die van de minimumwaarde van TiO₂ 400. Dit geeft aan dat de combinatie van Ag₃ PO₄ en TiO₂ kan een grote bijdrage leveren aan de verbetering van Ag₃ PO₄ fotokatalytische activiteit.

Figuur 5c is het resultaat van de stabiliteitstest van vier keer degradatie van RhB-oplossing door recycling van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Het degradatie-effect van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ vertoont een goede stabiliteit in vier keer recyclen, en in het vierde cyclusexperiment, het degradatie-effect van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ was iets hoger dan die van de derde cyclus. Dit kan te wijten zijn aan de vorming van composietmateriaal tussen Ag₃ PO₄ en TiO₂ om fotogegenereerde elektron-gat-paaroverdracht en in situ vorming van een kleine hoeveelheid Ag in Ag₃ te versnellen PO₄ tijdens fotokatalyse om verdere fotocorrosie te voorkomen.

De resultaten van TiO₂ /Ag₃ PO₄ vangfactoren worden getoond in Fig. 5d. Na toevoeging van vangmiddel IPA nam de afbraakactiviteit gedeeltelijk af. Toen BQ en TEOA werden toegevoegd, nam de afbraakgraad van RhB aanzienlijk af, zelfs dicht bij 0. Daarom kunnen we concluderen dat de belangrijkste factoren gaten zijn (h⁺ ) en superoxide-anionen (O·− 2), terwijl de hydroxylradicaal (·OH) gedeeltelijk degradeert.

Een mogelijk Z-schema fotokatalytisch afbraakmechanisme werd voorgesteld in Schema 1 om de fotokatalytische afbraak van RhB door TiO₂ te verklaren /Ag₃ PO₄ gebaseerd op experimenten met het vangen van vrije radicalen en fotodegradatie. De band gap van Ag₃ PO₄ is 2,45 eV, en zijn E _CB en E _VB potentieel zijn respectievelijk ca.0.45 eV en 2.9 eV (vs. NHE) [18]. Zoals getoond in Schema 1, onder bestraling met zichtbaar licht, Ag₃ PO₄ wordt gestimuleerd door fotonen met een energie groter dan de bandafstand om fotogegenereerde elektron-gatparen te produceren. De gaten in de valentieband van Ag₃ PO₄ gemigreerd naar de valentieband van TiO₂ en nam vervolgens direct deel aan het RhB-oxidatie- en ontledingsproces, dat adsorbeerde op het oppervlak van TiO₂ . Tegelijkertijd, tijdens de migratie van fotogegenereerde gaten, de H₂ O en OH⁻ geadsorbeerd op het composietoppervlak kan ook worden geoxideerd om ·OH te vormen, en het sterk oxiderende ·OH kan verontreinigende stoffen verder oxideren en afbreken. Dit komt voornamelijk door de energie van gaten in de valentieband van Ag₃ PO₄ dat is 2,9 eV, hoger dan de potentiële reactie-energie van OH⁻ /OH (E(OH⁻ /OH) = 1.99 eV (vs. NHE)). Het geleidingspotentieel van Ag₃ PO₄ is 0,45 eV, de energie van fotogegenereerde elektronen is 0,45 eV en de activeringsenergie van zuurstof met één elektron is E(O₂ /O·− 2) = 0.13 eV (vs. NHE). De door foto gegenereerde elektronen op Ag₃ PO₄ geleidingsband kan niet worden opgevangen door opgeloste zuurstof. Met de accumulatie van fotogegenereerde elektronen op Ag₃ PO₄ geleidende band, is een kleine hoeveelheid Ag-nanodeeltjes gevormd als gevolg van de fotokatalytische corrosie van Ag₃ PO₄ fotokatalysator. De gevormde Ag-nanodeeltjes kunnen ook worden gestimuleerd door lichtenergie om fotogegenereerde elektron-gatparen te vormen. Vervolgens migreerden de elektronen naar de geleidingsband van TiO₂ , terwijl de gaten die op de Ag-nanodeeltjes achterblijven, kunnen worden verergerd met de fotogegenereerde elektronen die worden gegenereerd op de geleidingsband van Ag₃ PO₄ , waardoor verdere corrosie van Ag₃ . wordt voorkomen PO₄ fotokatalysator. Vanwege de verboden band van TiO₂ is 3,1 eV, kan het niet worden geëxciteerd onder zichtbaar licht en de E _CB en E _VB zijn ca. respectievelijk − 0,24 eV en 2,86 eV (vs. NHE). Elektronen geïnjecteerd in TiO₂ geleidingsband kan verontreinigende stoffen afbreken door de op de TiO₂ geadsorbeerde zuurstof vast te houden oppervlakte. Dit komt voornamelijk door de E _CB = − 0.24 eV (vs. NHE) wat negatiever is dan E(O₂ /O·- 2) = 0.13 eV (vs. NHE). De resultaten zijn in overeenstemming met de vangexperimenten. De belangrijkste factoren zijn gaten (h⁺ ) en superoxide-anionen (O·- 2), terwijl hydroxylradicaal (·OH) gedeeltelijk degradeert.

Schematische weergave van het fotokatalytische mechanisme van TiO₂ /Ag₃ PO₄

Op basis van de bovenstaande discussie is de afbraakreactie van TiO₂ /Ag₃ PO₄ wordt als volgt uitgedrukt door de chemische vergelijking:

Generatie van foto-elektrongatparen:

$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{hv}\to {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}} _4\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}} ^{+}\right) $$$$ {\mathrm{Ag}}^{+}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm {e}}^{-}\right)\to \mathrm{Ag}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4 $$$$ \mathrm{Ag}+ \mathrm{hv}\naar \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\ rechts) $$

Migratie en transformatie van fotogegenereerde gat-elektronenparen:

$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+\mathrm{Ti}{\mathrm{ O}}_2\naar \mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P} {\mathrm{O}}_4 $$$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{e}}^{-}\right) +\mathrm{Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\right)\to \mathrm{Ag}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O} }_4 $$$$ \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{Ti}{ \mathrm{O}}_2\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ag} $$$$ \mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left( {\mathrm{e}}^{-}\right)+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{Ti}{\mathrm{O }}_2 $$$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+0{\mathrm {H}}^{-}\to \mathrm{OH}\cdotp +{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4 $$

Afbraak van verontreinigende stoffen:

$$ \mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Degradation}\ \mathrm{product }+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O} $$$$ {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Degradatie}\ \mathrm{product}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O} $$$$ \mathrm{OH}\cdotp +\mathrm{RhB }\naar \mathrm{Degradatie}\ \mathrm{product}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O}+{\mathrm{Cl}}^{-} $ $

Conclusies

Samenvattend, een uitgebreid onderzoek van de composiet Ag₃ PO₄ /TiO₂ fotokatalysator, bereid door een eenvoudige tweestapsmethode wordt gepresenteerd. Complementaire karakteriseringstools zoals röntgendiffractie (XRD), scanning-elektronenmicroscopie (SEM), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HR-TEM), energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX), X In dit onderzoek werden straalfoto-elektronspectroscopie (XPS) en UV-vis diffuse reflectiespectroscopie (DRS) gebruikt. De resultaten toonden aan dat het samengestelde Ag₃ PO₄ /TiO₂ fotokatalysator is zeer kristallijn en heeft een goede morfologie. Voor Ag₃ PO₄ /TiO₂ afbraak van RhB, TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ vertoont de hoogste fotokatalytische activiteit. Na 25 min reactie bereikte de fotokatalytische afbraaksnelheid bijna 100%. De reactiesnelheidsconstante van TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ is 0,02286 min⁻¹ , wat twee keer zo groot is als Ag₃ PO₄ en 6,6 keer die van de minimumwaarde van TiO₂ 400. De TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ vertoont ook een goede stabiliteit na vier keer recyclen. De belangrijkste actieve katalytische soorten zijn gaten (h⁺ ) en superoxide-anionen (O·− 2), terwijl hydroxylradicaal (·OH) gedeeltelijk degradeert door vangexperimenten. Bovendien, een Z-schema reactiemechanisme van Ag₃ PO₄ /TiO₂ heterogene structuur wordt voorgesteld om het RhB-afbraakmechanisme te verklaren. De accumulatie van fotogegenereerde elektronen op Ag₃ PO₄ geleidende band veroorzaakt foto-etsing van Ag₃ PO₄ fotokatalysator om een kleine hoeveelheid Ag-nanodeeltjes te vormen, waardoor de door foto gegenereerde elektronenoverdracht in de Ag₃ wordt versneld PO₄ geleidingsband, waardoor verdere Ag₃ . wordt voorkomen PO₄ fotokatalysator corrosie.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De auteurs verklaren dat materiaal en datum onmiddellijk beschikbaar zijn voor lezers zonder onnodige kwalificaties in overeenkomsten voor materiaaloverdracht. Alle gegevens die in dit onderzoek zijn gegenereerd, zijn opgenomen in dit artikel.