Verbeterde fotokatalytische afbraak van Rhodamine B met SrTiO3/Bi5O7I nancomposieten: Fabricatie, karakterisering en mechanistische inzichten

Samenvatting

We rapporteren een thermische-decompositieroute om SrTiO₃/Bi₅O₇I nancomposieten te synthetiseren die perovskiet SrTiO₃ nanopartikels combineren met tetragonale Bi₅O₇I nanostaven. XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS en PL analyses bevestigen fasezuiverheid, intieme heterojunctievorming en effectieve ladingsscheiding. Onder gesimuleerde zonnestraling bereikt de 30 wt% SrTiO₃/Bi₅O₇I composiet 89,6% Rhodamine B (RhB) verwijdering in 150 min—3,97-voudig hoger dan zuiver Bi₅O₇I en 12,5-voudig hoger dan SrTiO₃. •O₂⁻ en gaten domineren het oxidatieve proces, terwijl PL data onderdrukte hercombinatie onthullen. De studie verheldert een Z-type heterojunctiemechanisme dat superieure fotokatalyse drijft, wat een blauwdruk biedt voor hoog-presterende, zichtbaar-licht fotokatalysatoren.

Achtergrond

Kleurstofverontreinigingen uit textielafvalwater poseren ernstige ecologische en gezondheidsrisico's, wat de zoektocht naar kosteneffectieve, groene saneringsmethoden drijft. Conventionele adsorptie, coagulatie en geavanceerde oxidatieprocessen lijden vaak onder hoge operationele kosten en secundair afval. Halfgeleider-gebaseerde fotokatalyse, zeker onder zonnelijk licht, duikt op als een veelbelovend alternatief door zijn hernieuwbare energiebron en minimale bijproducten. TiO₂ blijft de referentie fotokatalysator, maar de brede bandkloof beperkt zichtbaar-lichtactiviteit en bevordert snelle elektronen-gaten hercombinatie. Recente strategieën omvatten oppervlaktemodificatie of halfgeleiderkoppeling om lichtabsorptie en ladingsscheiding te verbeteren.

Bi₅O₇I, een p-type oxyiodide, vertoont een relatief hoge valentieband die sterke oxidatieve gaten genereert, maar lijdt onder slechte ladingsoverdrachts-efficiëntie. Koppeling met n-type SrTiO₃, een thermisch stabiele perovskiet met geschikte banduitlijning, kan een effectieve heterojunctie vormen die elektronenmigratie vergemakkelijkt en hercombinatie reduceert. Dit werk pioniert de synthese van SrTiO₃/Bi₅O₇I nancomposieten en evalueert hun fotokatalytische prestaties en onderliggend mechanisme.

Methodes

Bereiding van SrTiO₃/Bi₅O₇I Composieten

SrTiO₃ nanopartikels en SrTiO₃/BiOI precursors werden eerst bereid via een sol-gel route. De composieten werden vervolgens onderworpen aan thermische decompositie (opwarmen 5 °C min⁻¹ tot 500 °C, vasthouden 3 uur, natuurlijk afkoelen) om SrTiO₃/Bi₅O₇I nancomposieten met variërende SrTiO₃ ladingen (10–40 wt%) te verkrijgen.

Karakterisering

Faseanalyse werd uitgevoerd met XRD (Cu Kα). Morfologie en elementaire kartografie werden vastgelegd met FE-SEM met EDS. Oppervlaktechemie werd onderzocht met XPS. UV-vis diffuse reflectantie (DRS) beoordeelde optische absorptie, terwijl PL spectroscopie ladinghercombinatie evalueerde. FTIR identificeerde functionele groepen.

Fotokatalytische Evaluatie

Fotokatalytische activiteit werd gemeten door RhB afbraak onder een 500 W Xe lamp (gesimuleerd zonnelijk licht). 100 mg katalysator werd gedispergeerd in 100 mL van 20 mg L⁻¹ RhB, 30 min in het donker geroerd (adsorptie-evenwicht), daarna bestraald. Elke 30 min werden 3 mL aliquots gecentrifugeerd, en RhB concentratie gekwantificeerd door UV-vis spectroscopie.

Resultaten en Discussie

XRD Analyse

Zuiver SrTiO₃ vertoonde de verwachte perovskiet pieken (JCPDS 35‑0734). Bi₅O₇I toonde karakteristieke tetragonale reflecties (JCPDS 10‑0548). Het 30 wt% composiet vertoonde een superpositie van beide patronen zonder secundaire fasen, wat succesvolle heterojunctievorming bevestigt.

XPS Analyse

Overzichtscans onthulden Ti, Sr, Bi, I en O. Kern-niveau spectras bevestigden Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺ en I⁻ toestanden, en de O 1s piek splitste in rooster en vacature-gerelateerde componenten, wat zuurstofvacatures aanduidt die ladingstransport helpen.

SEM & EDS

SrTiO₃ deeltjes waren bolvormig (50–300 nm). Bi₅O₇I nanostaven (100–300 nm × 80 nm)wikkelden SrTiO₃ deeltjes om, creërend intiem contact. EDS bevestigde de 30 wt% SrTiO₃ inhoud.

Optische Eigenschappen

DRS toonde een UV rand bij 380 nm voor SrTiO₃ en een zichtbaar-licht rand bij 520 nm voor Bi₅O₇I. Het composiet absorbeerde sterk tussen 480–520 nm, wat zichtbaar-lichtopvang verbeterde. Bandkloften werden berekend als 3,2 eV (SrTiO₃), 2,31 eV (Bi₅O₇I) en 2,38 eV (30 wt% composiet).

Fotokatalytische Activiteit

Onder gesimuleerd zonnelijk licht bereikte het 30 wt% composiet 89,6% RhB verwijdering in 150 min, wat beide zuivere materialen overtrof. De schijnbare snelheidsconstante (k_app) was 1,45 × 10⁻² min⁻¹, 12,5-voudig hoger dan SrTiO₃ en 2,97-voudig hoger dan Bi₅O₇I. Herbruikbaarheidstests over vijf cycli toonden verwaarloosbare activiteitsverlies, wat structurele stabiliteit bevestigt.

Mechanistische Inzichten

Vangstofstudies onthulden dat •O₂⁻ en gaten de dominante oxidatieve soorten zijn; hydroxylradicalen speelden een verwaarloosbare rol. PL spectras vertoonden een aanzienlijk verminderde emissie voor het composiet, wat onderdrukte elektronen-gaten hercombinatie aangeeft. Berekende bandposities (E_VB = 2,92 eV voor Bi₅O₇I, 2,03 eV voor SrTiO₃) ondersteunen een Z-type heterojunctie: elektronen stromen van SrTiO₃ naar Bi₅O₇I, terwijl gaten oppositelijk migreren, wat efficiënte ladingsscheiding en •O₂⁻ generatie drijft.

Conclusies

We hebben SrTiO₃/Bi₅O₇I nancomposieten geïnjineerd via een eenvoudige thermische decompositiemethode die een robuuste Z-type heterojunctie oplevert. Het 30 wt% composiet levert superieure fotokatalytische afbraak van RhB onder gesimuleerd zonnelijk licht, toegeschreven aan verbeterde zichtbaar-lichtabsorptie en efficiënte ladingsscheiding. Deze bevindingen bieden een schaalbare route voor hoog-presterende fotokatalysatoren toepasbaar op afvalwaterbehandeling en verder.