Verbeterde Fotokatalytische Afbraak van Rhodamine B met een ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ Ternair Nanocomposiet onder Gesimuleerd Zonnestraling

Samenvatting

Een hoge-efficiënte ternaire fotokatalysator werd ontworpen door zilverorthofosfaat (Ag₃PO₄), attapulgiet (ATP), en TiO₂ te integreren. De resulterende heterojunctie bevordert effectieve scheiding van fotogegenereerde elektronen en gaten, wat de fotokatalytische prestaties aanzienlijk verhoogt. Structurele analyse via SEM, XRD, en UV-vis diffuse reflectantie bevestigde een lath-deeltjes morfologie en de aanwezigheid van alle drie componenten. Vergeleken met binaire composieten, bereikte ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ superieure Rhodamine B (RhB) afbraak onder gesimuleerde zonnestraling, terwijl de stabiliteit van Ag₃PO₄ verbeterd werd en de benodigde lading verminderde. Dit werk biedt een praktisch blauwdruk voor het ontwerpen van Ag-gebaseerde fotokatalysatoren met lagere kosten en hogere duurzaamheid.

Achtergrond

Organische verontreinigingen vormen een aanhoudende bedreiging voor de milieu-gezondheid, en fotokatalytische afbraak is opgedoken als een veelbelovende, milieuvriendelijke saneringsstrategie. Sinds Fujishima's pionierende ontdekking van TiO₂-gedreven watersplitsing in 1972, is TiO₂ uitgebreid bestudeerd voor zijn chemische stabiliteit, non-toxiciteit, en lage kosten. Echter, de wijd bandkloof (3,2 eV) beperkt zichtbaar-licht absorptie, wat de praktische efficiëntie belemmert.

In contrast, tonen semiconductoren zoals Ag₃PO₄, Bi₂MoO₆, WO₃, en g-C₃N₄ sterke zichtbaar-licht activiteit. Ag₃PO₄, in het bijzonder, levert hoge foto-oxidatie prestaties maar lijdt onder slechte fotostabiliteit door Ag⁺ reductie tot metaal Ag en hoge materiaalkosten. Talrijke composiet strategieën (bijv. TiO₂/Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/grafene) zijn achtervolgd om deze nadelen te mitigeren.

Attapulgiet (ATP) is een staaf-vormig, gehydrateerd magnesium-aluminium silicaat met een hoge specifieke oppervlakte en uitstekende adsorptiecapaciteit. Zijn staafmorfologie maakt het een aantrekkelijk skelet voor het ankeren van fotokatalytische nanopartikels, doch ternaire ATP-gebaseerde composieten blijven onderzocht.

In deze studie synthetiseerden we een ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ ternaire nanocomposiet via een eenvoudige twee-staps route. Uitgebreide karakterisering onthulde een robuuste heterojunctie die niet alleen ladingsscheiding verbetert, maar ook Ag₃PO₄ stabiliseert en zilvergebruik vermindert, terwijl snelle RhB afbraak onder gesimuleerde zonnestraling wordt bereikt.

Experimentele Sectie

Materialen

ATP nanovezelingen (gemiddelde diameter <100 nm, lengte <1 µm) werden geleverd door Jiangsu Qingtao Energy Science and Technology Co., Ltd. Rhodamine B (RhB, A.R.), EDTA dinatriumzout, tert-butanol, stearyl trimethyl ammoniumchloride, zilvernitraat, en dinatrium dihydrogenfosfaat dihydraat werden verkregen van Macklin. TiO₂ anatase nanopartikels (5-10 nm, 99,8% zuiverheid) werden bezorgd door Aladdin.

Synthese van Monsters

Het ternaire composiet werd in twee stappen gefabriceerd. Eerst werden ATP nanostaven en TiO₂ nanopartikels (massaverhouding 5:2) gedispergeerd in gedemineraliseerd water en 4 uur geroerd, zodat TiO₂ op ATP oppervlakken geadsorbeerd werd. Na centrifugatie, wassen, en drogen bij 60 °C gedurende 6 uur, werd ATP/TiO₂ verkregen. Vervolgens werden Ag₃PO₄ nanopartikels geprecipiteerd op ATP/TiO₂ via een eenvoudige co-precipitatie: 20 mL 0,1 M AgNO₃ werd gemengd met 0,7 g ATP/TiO₂ in 50 mL water onder sonicatie gedurende 30 min; daarna werd 20 mL 0,1 M Na₂HPO₄ druppelgewijs in het donker toegevoegd gedurende 40 min. Het resulterende licht-geel neerslag werd gecentrifugeerd, gewassen met absolute ethanol, en gedroogd bij 60 °C gedurende 12 uur, wat ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ opleverde. Analog procedures produceerden Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/ATP, Ag₃PO₄/TiO₂, en ATP/TiO₂ monsters.

Karakterisering

XRD data werden verzameld op een Rigaku D/max-RB diffractometer (40 kV, 30 mA). SEM imaging werd uitgevoerd op een INSPECTF FEI instrument. UV-vis diffuse reflectantie spectra werden opgenomen op een Hitachi U-3010 spectrophotometer met BaSO₄ als referentie.

Fotokatalytisch Experiment

Fotokatalytische afbraak van RhB (5 mg L⁻¹) werd uitgevoerd onder gesimuleerde zonnestraling met een 300 W Xe lamp (150 mW cm⁻²). 50 mg ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ werd toegevoegd aan 100 mL RhB oplossing en in het donker 40 min geroerd om adsorptie-desorptie evenwicht te bereiken. Bij lampverlichting werden aliquoten (4 mL) op vaste intervallen onttrokken, gecentrifugeerd (10.000 rpm, 10 min), en geanalyseerd door UV-vis spectroscopie (λ_max=554 nm). Afbraakefficiëntie werd berekend als %D = (1–A/A₀) × 100%.

Resultaten en Discussie

Karakterisering van de ATP-Ag₃PO₄-TiO₂ Composieten

Figuur 1 bevestigt de kristallijne integriteit van elk component: ATP matcht JCPDS #21-0958 (monoklien), TiO₂ toont anatase pieken, en Ag₃PO₄ stemt overeen met JCPDS #06-0505. Geen onzuiverheden verschijnen in de composieten, wat succesvolle fabricage aangeeft. In het ternaire patroon (Fig. 1g) zijn de ATP pieken zwak, wat suggereert dat TiO₂ en Ag₃PO₄ nanopartikels de ATP staven bedekken.

SEM afbeeldingen (Fig. 2) onthullen ATP als sub-micron staven (<1 µm) met <100 nm diameter. TiO₂ nanopartikels (~40 nm) hechten uniform aan ATP oppervlakken, vormend ATP/TiO₂. In het ternaire composiet zijn de staven volledig bedekt door zowel TiO₂ als ~50 nm Ag₃PO₄ spheren, producerend een lath-deeltjes architectuur die interfaciale contact maximaliseert.

Absorptie Spectra

UV-vis spectra (Fig. 3a) tonen Ag₃PO₄ absorbeert tot ~500 nm, TiO₂ absorbeert alleen in het UV, en ATP heeft zwakke absorptie. Het ternaire composiet combineert deze kenmerken, wat sterke UV absorptie van TiO₂ en ATP en uitgebreide zichtbaar-licht respons van Ag₃PO₄ oplevert. Bandkloof energies werden geëxtraheerd uit Tauc plots: TiO₂ 3,20 eV (indirect), Ag₃PO₄ 2,49 eV (direct), ATP 3,75 eV (direct). Het composiet vertoont twee absorptieranden—385 nm (E_g 3,64 eV) en 510 nm (E_g 2,49 eV)—wat behoud van zowel TiO₂ als Ag₃PO₄ kenmerken demonstreert.

Fotokatalytische Activiteiten

Figuur 4a toont de tijdsafhankelijke UV-vis spectra van RhB tijdens bestraling met ATP/TiO₂/Ag₃PO₄. De 554 nm piek verdwijnt bijna na 20 min, wat >90% afbraak aangeeft. In vergelijking (Fig. 4b), bereiken zuivere TiO₂ en ATP <50% verwijdering na 60 min, terwijl Ag₃PO₄ beter presteert maar stabiliteitsverlies lijdt. Het ternaire composiet bereikt 81,1% afbraak na slechts 3 min en >99% na 20 min—uitstekend alle binaire tegenhangers terwijl minder Ag inhoud vereist.

Stabiliteitstesten (Fig. 5) tonen dat Ag₃PO₄ activiteit verliest na opeenvolgende cycli door Ag-accumulatie op zijn oppervlak. In tegenstelling, behoudt ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ >95% van zijn initiële prestaties over vijf cycli, wat het beschermende effect van TiO₂ en ATP in de heterojunctie bevestigt.

Mogelijk Mechanisme in Fotokatalytisch Proces

Vergiftigings experimenten (Fig. 6) identificeerden de dominante reactieve soorten: gaten (h⁺) en superoxideradicalen (O₂^•–) zijn essentieel, terwijl hydroxyradicalen (•OH) een ondergeschikte rol spelen. Het voorgestelde mechanisme (Fig. 7) omvat elektronenoverdracht van TiO₂ CB (−0,5 eV) naar Ag₃PO₄ CB (+0,45 eV), en gatmigratie van Ag₃PO₄ VB (+2,97 eV) naar TiO₂ VB (+2,70 eV). Deze ladingsscheiding vermindert recombinatie, versterkt O₂ reductie tot O₂^•–, en beschermt Ag⁺ van fotoreductie, wat zowel activiteit als stabiliteit verbetert.

Conclusies

We hebben met succes een ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ ternaire nanocomposiet gefabriceerd via een eenvoudige twee-staps proces. De resulterende heterojunctie verbetert ladingsscheiding aanzienlijk, wat leidt tot snelle en stabiele RhB afbraak onder gesimuleerde zonnestraling. Vergeleken met zuiver Ag₃PO₄, vereist het composiet minder zilver, verlaagt kosten, en biedt superieure duurzaamheid. Deze bevindingen bieden een schaalbare strategie voor het ontwerpen van Ag-gebaseerde fotokatalysatoren met verbeterde prestaties en levensduur.