Snelle Electrogesponnen SrTiO₃-Gemodificeerde Rutiel TiO₂ Nanovezels: Verbeterde UV-Gedreven Fotokatalytische Afbraak van Methyl Orange

Samenvatting

We rapporteren een eenvoudige één-stap electrospin-synthese van SrTiO₃-gemodificeerde rutil TiO₂ composiet nanovezels. Röntgendiffractie, scanning en transmissie elektronenmicroscopie bevestigen de succesvolle vorming van een SrTiO₃/TiO₂ heterojunctie. Fotokatalytische tests onthullen dat de SrTiO₃/TiO₂ (rutil) nanovezels methyl orange (MO) onder UV-verlichting afbreken met bijna twee keer de snelheid van zuivere TiO₂ nanovezels, dankzij hun hoge kristalliniteit en efficiënte scheiding van fotogegenereerde ladingsdragers.

Achtergrond

Titaandioxide (TiO₂) is een referentie halfgeleider gewaardeerd om zijn milieuvriendelijkheid, chemische stabiliteit en sterke foto-elektrische eigenschappen. Het wordt breed toegepast in optica, fotovoltaica, sensoren en afvalwaterzuivering. Hoewel anatase TiO₂ over het algemeen superieure fotokatalytische activiteit vertoont vergeleken met rutil, beperkt de bredere bandgat (3,2 eV) zichtbare-lichtabsorptie. Rutil TiO₂, met een iets smaller bandgat (3,0 eV) en grotere thermodynamische stabiliteit, is meer geschikt voor herhaald gebruik in vervuilingafbraak. Het verbeteren van de fotokatalytische efficiëntie van rutil TiO₂ blijft een belangrijke onderzoeksvraag. Strategieën zoals het ontwerpen van hoge-oppervlakte morfologieën (bijv. nanovezels, nanoribben, microbloemen) en het construeren van heterostructuren met andere halfgeleiders (bijv. ZnO/TiO₂, CdS/ZnO, CeO₂/grafeen) zijn effectief gebleken. Strontiumtitaan (SrTiO₃) is vooral aantrekkelijk vanwege zijn thermische robuustheid en weerstand tegen fotokorrosie, en is toegepast in H₂-generatie, NO-verwijdering, watersplitsing en kleurstofafbraak. SrTiO₃/TiO₂ heterojuncties hebben aangetoond ladingsdragerscheiding te bevorderen, wat de fotokatalytische activiteit verhoogt. Echter, rapporten over SrTiO₃-gemodificeerde rutil TiO₂ nanovezels zijn zeldzaam, voornamelijk omdat conventionele synthese routes omslachtig zijn. Electrospinnen biedt een eenvoudige, schaalbare methode om nanovezel-composieten te fabriceren met controleerbare samenstelling en morfologie. In deze studie presenteren we een enkele-stap electrospin-benadering om SrTiO₃/TiO₂ (rutil) nanovezels te prepareren en hun fotokatalytische prestaties en onderliggend mechanisme te onderzoeken.

Methoden

Materialen

Analytische graad azijnzuur, N,N-dimetylformamide (DMF, 99,5%), tetrabutyltitaan (TBT, 99,0%), strontiumacetaat (99,97%), en polyvinylpyrrolidon (PVP, Mw = 1,3 × 10⁶) werden aangeschaft bij Shanghai Macklin Biochemical Co. Ltd.

Preparatie van SrTiO₃/TiO₂ (rutil) Composiet Nanovezel

De composiet nanovezels werden gefabriceerd door directe electrospinning gevolgd door calcinatie (Fig. 1). Een 2,2 g PVP voorraad werd opgelost in 8 mL DMF en 2 mL azijnzuur, 8 uur gerold. Daarna werd 2 g TBT toegevoegd en 4 uur gerold. Strontiumacetaat werd geleidelijk geïntroduceerd tot de oplossing transparant werd. De resulterende sol-gel werd geladen in een glazen spuit met een 0,5 mm roestvrijstalen naald en gepompt met 0,6 mL h⁻¹. Een 15 kV potentieel werd toegepast met een 15 cm naald-collector afstand, bij < 40% relatieve vochtigheid en 20 °C. De verzamelde non-woven matten werden gedroogd bij 80 °C voor 6 uur, daarna gecalcineerd bij 700 °C (5 °C min⁻¹) voor 1 uur om SrTiO₃/TiO₂ (rutil) nanovezels te leveren. Blote TiO₂ (rutil) en SrTiO₃ nanovezels werden ook voorbereid voor vergelijking. SrTiO₃ ladingsniveaus van 1 gew.%, 3 gew.%, 5 gew.%, en 10 gew.% werden aangeduid als ST-1, ST-3, ST-5, en ST-10, respectievelijk.

Karakterisering

Veld-emissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM, Hitachi S-4800) gekoppeld met energiedispersieve Röntgenspectroscopie (EDS) onderzocht oppervlaktemorfologie. Transmissie elektronenmicroscopie (TEM, JEM-2100, 200 kV) en hoge-resolutie TEM (HRTEM) onthulden microstructuur. Röntgendiffractie (Bruker D8-Advance, Cu Kα, λ = 1,518 Å) identificeerde kristallijne fasen. UV-vis diffuse reflectantie spectra werden opgemeten op een Hitachi U-3900 spectrophotometer.

Meting van Fotokatalytische Activiteit

Fotokatalytische prestaties werden geëvalueerd door een 15 mg L⁻¹ methyl orange (MO) oplossing in een 50 mL kwarts reactor af te breken. 30 mg katalysator werd gedispergeerd, en de suspensie werd in het donker 30 min gerold om adsorptie-desorptie evenwicht te bereiken. Afbraak werd gedreven door een 25 W UV-C kwikklamp (λ ≈ 254 nm). Aliquoten (5 mL) werden elke 10 min onttrokken, gecentrifugeerd, en de residuele MO-concentratie werd gemeten bij 464 nm met een spectrophotometer.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 presenteert XRD-patronen van blote TiO₂ (rutil), blote SrTiO₃, en de SrTiO₃/TiO₂ (rutil) composieten. Pieken bij 2θ = 27,5°, 36,1°, 41,3°, en 54,4° corresponderen met de (110), (101), (111), en (211) vlakken van rutil TiO₂ (JCPDS 78-1510). Pieken bij 32,4°, 40,0°, 46,5°, en 57,8° matchen de (110), (111), (200), en (211) vlakken van kubische SrTiO₃ (JCPDS 84-0443). De duidelijke aanwezigheid van beide fasen bevestigt succesvolle vorming van de SrTiO₃/TiO₂ heterojunctie onder 700 °C calcinatie, wat de ladingsdrager-mobiliteit en fotokatalytische activiteit verbetert.

FESEM-beelden van het ST-3 monster (Fig. 3) tonen dat de as-gesponnen vezels een glad, continu oppervlak hebben met een diameter van ~300 nm. Na calcinatie bij 700 °C krimpt de diameter tot ~200 nm, en worden de vezels slank en ruw, waardoor de specifieke oppervlakte toeneemt en meer actieve plaatsen voor fotokatalyse worden geboden.

TEM en HRTEM analyses (Fig. 4) bevestigen verder de coëxistentie van rutil TiO₂ en kubische SrTiO₃ fasen. Roosterfranjes met afstanden van 0,324 nm (TiO₂ (110)) en 0,275 nm (SrTiO₃ (110)) zijn duidelijk opgelost, wat de vorming van een intieme heterojunctie bewijst die efficiënte ladingscheiding vergemakkelijkt. Geselecteerde gebied elektronen diffractie (SAED) patronen en EDS spectra (Fig. 4c-d) bevestigen de hoge kristalliniteit en elementaire samenstelling.

De fotokatalytische afbraak van MO werd geëvalueerd voor blote TiO₂ (rutil), blote SrTiO₃, en de SrTiO₃/TiO₂ composieten (Fig. 5). Na 40 min UV-bestraling waren de afbraakefficiënties 62% (ST-1), 93% (ST-3), 79% (ST-5), 43% (ST-10), 47% (blote TiO₂), en 44% (blote SrTiO₃). Het ST-3 monster vertoont de hoogste activiteit, ongeveer twee keer die van blote TiO₂, wat het voordeel van een optimale SrTiO₃ lading aantoont. Overmatige SrTiO₃ (ST-10) vermindert de prestaties omdat SrTiO₃ alleen een zwakkere fotokatalysator is; dus is een gebalanceerde heterojunctie essentieel.

Herbruikbaarheidstesten (Fig. 5c) tonen verwaarloosbaar verlies van activiteit na vijf cycli, wat robuuste structurele stabiliteit en uitstekende cyclische prestaties aangeeft.

Het mechanisme onderliggend aan de verbeterde fotokatalyse is geïllustreerd in Fig. 6. Onder UV-bestraling genereren zowel SrTiO₃ als rutil TiO₂ elektron-gat paren. Elektronen in het geleidingsband van SrTiO₃ overdragen naar het geleidingsband van TiO₂, terwijl gaten migreren naar het valentieband van SrTiO₃, wat effectief ladingen scheidt en hun levensduur verlengt. Deze ladingdragers reageren dan met opgeloste zuurstof en water om reactieve zuurstofsoorten te produceren die MO-moleculen oxideren. Het schematische (Fig. 6) en de reactie-route (Vergelijkingen 1-10) bevestigen deze reeks gebeurtenissen.

Over het algemeen vertegenwoordigen de SrTiO₃/TiO₂ (rutil) composiet nanovezels een goedkope, schaalbare en zeer efficiënte fotokatalysator voor kleurstofafvalwaterbehandeling.

Conclusies

We hebben SrTiO₃-gemodificeerde rutil TiO₂ nanovezels met succes gefabriceerd via een enkele-stap electrospin-proces. De resulterende heterojunctie nanovezels vertonen hoge kristalliniteit en een driedimensionale morfologie die samen hun fotokatalytische prestaties verhogen, bereikend bijna het dubbele van de afbraaksnelheid van blote TiO₂ in UV-gedreven methyl orange decompositie. Deze studie toont aan dat eenvoudige electrospinning, gecombineerd met een oordeelkundig heterojunctie-ontwerp, robuuste fotokatalysatoren kan produceren die geschikt zijn voor grootschalige milieu-toepassingen.