Synergistische grafene-gemodificeerde TiO₂ composieten leveren superieure fotokatalytische activiteit

Samenvatting

Driedimensionale grafeennetwerken (3DGN) bieden een continu, hoogwaardig steigerwerk dat TiO₂ fotokatalysatoren kan verbeteren. Echter, de beperkte defectdichtheid van 3DGN belemmert zowel intiem contact met TiO₂ nanopartikelen—critisch voor efficiënte elektronenoverdracht—als de adsorptie van verontreinigingsmoleculen. In tegenstelling bezitten gereduceerde grafeenoxide (RGO) nanovellen overvloedige oppervlakte-functionele groepen die dienen als actieve adsorptieplaatsen en ladingsoverdracht faciliteren. Door RGO en 3DGN samen op TiO₂ te incorporeren, bereikten we een synergistisch composiet dat chemische adsorptie aanzienlijk verbetert en hogere opbrengsten van reactieve oxidanten genereert. Het optimaliseren van de RGO-ladingfractie verbetert de algehele fotokatalytische prestaties significant, zoals gedemonstreerd in fenolafbraakstudies.

Achtergrond

Grafene's uitzonderlijke elektrische geleiding en expansieve BET oppervlakte maken het een aantrekkelijke modifier voor TiO₂ fotokatalysatoren [1]. Toch vertonen conventionele RGO nanovellen hoge defectdichtheden en een discontinue morfologie, wat hun theoretische prestatiepotentieel beperkt. Recente vooruitgang in driedimensionale grafeennetwerken (3DGN) heeft de focus verplaatst naar hun natuurlijk continue, hoogwaardige structuur, wat zowel elektronenvervoer als nanopartikellading verbetert [2, 3].

Ons eerdere werk onthulde dat een optimale defectdichtheid in 3DGN chemisorptie van verontreinigingen en strakke koppeling met TiO₂ nanopartikelen faciliteren, wat efficiënte elektronenvervoerpaden creëert [2]. Het controleren van defectdichtheid tijdens chemische dampafzetting is technisch eisend, terwijl de oppervlaktechemie van RGO makkelijker afgestemd kan worden [4, 5]. Dus, het integreren van RGO nanovellen met 3DGN biedt een veelbelovende route om de fotokatalytische activiteit te verbeteren.

In deze studie synthetiseerden we RGO–3DGN–TiO₂ composiet fotokatalysatoren, optimaliseerden hun samenstelling, en evalueerden sleutelprestatiemetriche—chemische adsorbeerbaarheid, elektronenvervoer, en fenoldecompositiekinetiek. We gebruikten fotoluminescentie (PL), infrarood (IR) spectroscopie, en elektronenparamagnetische resonantie (EPR) om de synergistische interacties tussen 3DGN en RGO te verduidelijken.

Methoden

De voorbereidingsprotocollen en degradatie-experimenten volgen onze eerdere rapporten [2, 5, 6]. Samengevat, nikkel schuim gezaaid met 3DGN werd gedompeld in 50 mL van 25 wt% waterige ammoniak bevattende 50 mg TiO₂–RGO mengsels (RGO massafractie 1–8 wt%) bij kamertemperatuur. De suspensie werd overgebracht naar een autoklaaf en verwarmd tot 110 °C gedurende 10 uur in een vacuümoven, dan afgekoeld. De resulterende composieten werden gewassen met gedestilleerd water en gedroogd bij 80 °C onder vacuüm gedurende 2 uur voor gebruik.

Resultaten en discussie

SEM-beelden van zuivere TiO₂, 3DGN–TiO₂, en RGO–3DGN–TiO₂ worden getoond in Figuur 1. De 3DGN vertoont karakteristieke oppervlakterimpels veroorzaakt differentiële thermische uitdijting tussen grafeen en de Ni-substraat, wat zowel verontreinigingsadsorptie als TiO₂-lading verbetert. De gemiddelde TiO₂ deeltjesgrootte op het composiet (10–50 nm) bevestigt dat het hoge BET-oppervlakte van 3DGN agglomeratie vermindert [1, 2]. Raman-analyse van het RGO-component toont een lage I_D/I_G verhouding van 0,29, wat minimale defecten aangeeft (Figuur 1d) [7]. De toegepaste 3DGN vertoont ook een matige D-piek, wat zijn ingenieursdefectdichtheid weerspiegelt [6].

Fotokatalytische prestaties werden geëvalueerd via fenolafbraak onder UV en zichtbaar licht. Het RGO–3DGN–TiO₂ composiet bereikte een decompositiesnelheidsconstante van 1,33 × 10⁻² min⁻¹ onder UV, wat zuivere TiO₂, RGO–TiO₂, en 3DGN–TiO₂ met 180%, 70%, en 40% respectievelijk overtreft (Figuur 2a). Onder zichtbare verlichting vertoonde het composiet ook superieure activiteit (Figuur 2b). Sleutelbepalers omvatten elektronenbenuttings-efficiëntie en verontreinigingschemisorptiecapaciteit. Terwijl 3DGN een groot BET-oppervlakte en hoogwaardige grafeen biedt om ladingsscheiding te bevorderen, beperkt het gebrek aan voldoende interfacecontact de effectiviteit. In tegenstelling bieden RGO's functionele groepen overvloedige chemisorptieplaatsen en overbruggen de grafeen–TiO₂ interface, zoals bewijzen door IR-spectra (Figuur 3a). De Ti–O–C trilling bij ~800 cm⁻¹ bevestigt versterkte binding na RGO-toevoeging [2, 5].

PL-metingen onthulden verminderde radiatieve recombinatie in de composieten, met de RGO–3DGN–TiO₂ de zwakste PL-signaal vertonend—wat de hoogste elektronenbenuttings-efficiëntie aangeeft (Figuur 3b). EPR-spectra bevestigden hogere opbrengsten van ·OH en O₂⁻ radicalen voor het composiet onder UV, wat verbeterde elektronenoverdracht over de grafeen–TiO₂ interface onderstreept (Figuur 3c). Zichtbaar-licht EPR-signalen waren vergelijkbaar tussen 3DGN–TiO₂ en het composiet, wat de beperkte meerwaarde van additionele RGO onder deze omstandigheden weerspiegelt door onbeheerste veldikte die kwantumtunneling-kansen beïnvloedt [5].

TGA-analyse (Figuur 4) benadrukte duidelijke gewichtsverliesstadia: 100–180 °C (geadsorbeerd water) voor 3DGN–TiO₂, en een additioneel 250–350 °C verlies voor RGO-bevattende monsters, toeschrijfbaar aan verwijdering van residuele functionele groepen [5].

Conclusies

Co-modificatie van TiO₂ met zowel RGO nanovellen als 3DGN levert een composiet op dat synergistisch de fotokatalytische prestaties verbetert. Hoewel RGO's discontinuïteit en hogere defectdichtheid elektronenlevensduur kunnen verkorten, verbeteren de oppervlakte-functionele groepen significant verontreinigingschemisorptie en elektronenoverdracht over de grafeen–TiO₂ interface, waardoor de noodzaak voor complexe defect-ingenieurswerk van 3DGN gemitigeerd wordt. Het geoptimaliseerde composiet bereikte een fenolafbraaksnelheidsconstante van 1,33 × 10⁻² min⁻¹ onder UV-licht—betekenisvol hoger dan die van de individuele RGO–TiO₂ of 3DGN–TiO₂ systemen.