Efficiënte eenstaps foto-ultrasonische synthese van rGO/Ag₃PO₄ kwantumdot-composieten voor verbeterde zichtbare-licht-fotocatalyse

Samenvatting

We rapporteren voor het eerst een gestroomlijnde eenstaps foto-ultrasonisch-geassisteerde reductie die gereduceerde grafeneoxide (rGO) oplevert gedecoreerd met 1–4 nm Ag₃PO₄ kwantumdots (QDs). Röntgendiffractie, TEM, XPS, FT-IR, Raman en UV-vis-spectroscopie bevestigen uniforme dispersie van de QDs op rGO-nanosheets. Fotocatalytische tests met methylene blue (MB) onthullen dat een composiet met 2,3 wt% rGO 97,5% van MB in 5 min afbreekt, wat zowel zuivere Ag₃PO₄ QDs als rGO/Ag₃PO₄ composieten bereid door conventionele roering overtreft. De superieure prestaties worden toegeschreven aan synergistische ladingsdrager-scheiding aan het rGO/Ag₃PO₄-interface en de hoge specifieke oppervlakte van rGO, die snelle elektronen-gaten-overdracht faciliteren. Deze bevindingen demonstreren het potentieel van het rGO/Ag₃PO₄ QD-systeem voor afvalwaterbehandeling en zonne-gedreven waterstofevolutie.

Achtergrond

Hoog-efficiënte fotocatalysatoren zijn cruciaal voor het verwijderen van organische verontreinigingen en het genereren van waterstof. Ag₃PO₄, met zijn smalle bandgap en efficiënte foto-geëxciteerde ladingscheiding, heeft aanzienlijke aandacht getrokken; onregelmatige morfologie, lage oplosbaarheid, instabiliteit en hoge kosten beperken echter de toepassing. Het verbeteren van Ag₃PO₄-activiteit hangt af van efficiënte scheiding van fotogegenereerde elektronen-gaten-paren. Kwantumdot (QD) grootte-reductie verkort ladingsdrager-diffusiepaden, wat recombinatie onderdrukt en activiteit verhoogt. Echter, surfactant-gedekte QDs aggregeren vaak, wat hun toegankelijkheid voor verontreinigingen vermindert. Het laden van QDs op hoge-oppervlakte-ondersteuningen zoals gereduceerde grafeneoxide (rGO) mitigateert aggregatie terwijl het uitstekende elektronische geleiding en ladingsdrager-paden biedt. rGO, afgeleid van grafeneoxide via chemische, hydrothermische of chemische dampdepositie, biedt een tweedimensionale structuur met uitzonderlijke elektronische, mechanische en thermische eigenschappen. Conventionele reductiemethoden zijn complex en kunnen secundair afval genereren. Foto- en ultrasonisch-geassisteerde reducties zijn groenere alternatieven, die gelokaliseerde hoge temperaturen en drücken genereren die GO efficiënt reduceren terwijl ze tegelijkertijd QD-vorming mogelijk maken. Tot nu toe beschrijven geen rapporten een foto-ultrasonisch-geassisteerde synthese van rGO/Ag₃PO₄ QD-composieten.

Experimentele Sectie

Synthese van rGO/Ag₃PO₄ QDs

Grafeneoxide werd bereid van natuurlijk grafit via de Hummers-methode. In een typische synthese werd 20 mg GO gedispergeerd in 50 mL water en 30 min gesonicatieerd. Natriumoleaat (2,2 mmol) werd toegevoegd en 60 min verder gesonicatieerd. Na 4 u roeren voor ionenuitwisseling, werd 10 mL 0,6 M AgNO₃ geïntroduceerd, gevolgd door druppelgewijze toevoeging van 10 mL 0,2 M Na₂HPO₄ onder ultrasone bestraling. Na 60 min werd het neerslag verzameld, gewassen met hexylalcohol en ethanol, en gedroogd om GO/Ag₃PO₄ QD-composieten op te leveren. Een 0,3 g aliquot werd opgelost in 100 mL ethanol en blootgesteld aan gelijktijdige zichtbare-licht (300 W Xe-lamp, 420 nm cutoff) en ultrasonische (20 kHz, 10 mm probe) bestraling gedurende 60 min. Het resulterende product, na centrifugatie en drogen bij 60 °C, is rGO/Ag₃PO₄ QDs. Monsters met rGO-gewichtsverhoudingen van 1,5, 2,0, 2,3, 2,5 en 3,0 wt% werden bereid en gelabeld R-1,5, R-2, R-2,3, R-2,5 en R-3.

Materialenkarakterisatie

Fase-identificatie werd uitgevoerd met XRD (Cu-Kα, 2θ = 10°–80°). Morfologie werd onderzocht met TEM (JEOL JEM-2010). Chemische toestanden werden geanalyseerd via XPS (PHI Quantera SXM). Trillingsmodi werden geprobed met FT-IR en Raman-spectroscopie (Horiba JY-T64000). Optische absorptie werd opgemeten met een UV-vis-spectrofotometer (Hitachi U-3010). Fotoluminescentie-spectra werden gemeten met een Hitachi FL-4500 spectrophotometer.

Fotocatalytische activiteitsmeting

Fotocatalytische tests gebruikten 10 mg katalysator in 100 mL van 10 ppm MB. Na 30 min donkere evenwichtiging werd de suspensie bestraald met een 300 W Xe-lamp (λ ≥ 420 nm). Aliquoten werden elk minuut genomen gedurende de eerste 6 min, daarna elke 2 min. De absorbantie bij 664 nm werd gemeten met UV-vis; katalysatoren werden verwijderd door centrifugatie vóór meting.

Actieve-soort detectie

Scavenger-studies emplooyden isopropanol (OH·), EDTA (h⁺) en p-benzoquinon (O₂·⁻), elk bij ~1 mM, om dominante reactieve soorten tijdens MB-afbraak te identificeren.

Resultaten en Discussie

Materialenkarakterisatie

XRD-patronen (Fig. 1) tonen de kenmerkende GO-piek bij 10,7° en rGO bij 25°. Ag₃PO₄ QDs en R-2,3 vertonen pieken van de lichaam-gecentreerde kubische fase (JCPDS 06-0505). Piekversmaling in R-2,3 duidt op een gemiddelde Ag₃PO₄ QD-grootte van ~3,7 nm, kleiner dan de 5,1 nm grootte van Ag₃PO₄ QDs bereid zonder GO, wat GO's rol in groottebeheersing bevestigt.

TEM-afbeeldingen (Fig. 2) onthullen uniform gedispergeerde Ag₃PO₄ QDs (2,81 ± 1,2 nm) op rGO-bladen. Vergeleken met monsters gesynthetiseerd door conventionele roering, voorkomt ultrasone behandeling aggregatie en levert fijner deeltjes op, wat het belang van akoestische cavitatie benadrukt.

XPS-spectra (Fig. 3) bevestigen reductie van GO tot rGO en de aanwezigheid van Ag₃PO₄. De O 1s-piek verschuift naar lagere bindingsenergie in R-2,3, wat C=O-interactie met Ag₃PO₄ aangeeft. C 1s-spectra tonen verminderde zuurstoffunctionaliteiten na foto-ultrasonische reductie.

FT-IR en Raman-data (Fig. 4) valideren verder de chemische binding tussen rGO en Ag₃PO₄ QDs en de partiële reductie van GO.

Bereidingsmechanisme

De synthese verloopt via (1) Ag⁺-oleaat-complexvorming, (2) adsorptie op GO, (3) neerslag van Ag₃PO₄ QDs, en (4) gelijktijdige foto- en ultrasonisch-gedreven reductie van GO tot rGO, met elektronenoverdracht van Ag₃PO₄ naar rGO en waterstofradicaal-generatie. Deze route levert een stabiele rGO/Ag₃PO₄ QD-heterostructuur.

Optische eigenschappen

Diffuse reflectantiespectra (Fig. 6a) tonen een rode verschuiving voor rGO/Ag₃PO₄ composieten, piekend bij 2,3 wt% rGO. Bandgap-analyse (Fig. 6b) levert een verminderde gap van 1,62 eV voor R-2,3 op, vergeleken met 2,23 eV voor zuivere Ag₃PO₄, wat zichtbare-lichtabsorptie verbetert.

Fotocatalytische activiteit en stabiliteit

Surfactant-doseringstudies (Fig. S3) wijzen op optimale prestaties bij 0,5 g oleaat; overmaat surfactant hindert QD-dispersie. Fotocatalytische tests (Fig. 7a) tonen aan dat R-2,3 97,46% van MB in 5 min afbreekt, wat alle andere monsters overtreft. De snelheidsconstante (k) piekt bij 0,057 min⁻¹ voor R-2,3. Herbruikexperimenten (Fig. 7c) tonen >90% activiteit na vijf cycli, met XRD die structurele integriteit bevestigt (Fig. 7d).

Mecanisme van verbeterde fotocatalyse

Fotoluminescentie (Fig. 8a) wijst op verminderde elektronen-gaten-recombinatie in R-2,3. Scavenger-experimenten (Fig. 8b) onthullen dat gaten en O₂·⁻-radicalen de afbraak domineren, terwijl hydroxylradicalen een kleinere rol spelen. Het voorgestelde mechanisme (Fig. 9) omvat zichtbare-lichtopwekking van Ag₃PO₄, snelle elektronenoverdracht naar rGO, en daaropvolgende oxidatie van MB door gaten en superoxideradicalen gegenereerd op het composietoppervlak.

Conclusies

We hebben een gemakkelijke, groene foto-ultrasonisch-geassisteerde route ontwikkeld om rGO/Ag₃PO₄ QD-composieten te produceren met superieure zichtbare-licht-fotocatalytische activiteit. De rGO-ondersteuning verbetert ladingsdrager-scheiding en vergemakkelijkt snelle elektronenoverdracht, wat leidt tot hoge afbraakefficiënties en uitstekende herbruikbaarheid. Deze strategie biedt een veelbelovend platform voor milieuremediatie en zonne-waterstof-technologieën.

Afkortingen

2D

Twee-dimensionaal

BQ

p-Benzoquinon

CB

Conductieband

CVD

Chemische dampdepositie

EDTA

Dinatrium ethylenediaminetetraacetaat

GO

Grafeneoxide

IPA

Isopropanol

MB

Methylene blue

MO

Methyl orange

QDs

Kwantumdots

R-1,5, R-2, R-2,3, R-2,5, R-3

rGO-inhoud 1,5, 2,0, 2,3, 2,5, 3,0 wt%

rGO

Gereduceerde grafeneoxide

RhB

Rhodamine B

W_composite

Gewicht van composiet

W_rGO

Gewicht van grafene