Ag/BiPbO₂Cl-nanosheetcomposieten: 3,6-voudige verbetering van zichtbare-licht fotokatalytische activiteit

Samenvatting

We rapporteren de hydrothermale synthese en foto-reductie van Ag/BiPbO₂Cl-nanosheetcomposieten. TEM, XRD en UV-Vis diffuse-reflectiespectroscopie bevestigen de morfologie, kristalstructuur en optische respons van de materialen. Een lading van 0,5 wt% Ag levert een fotokatalytische activiteit op die 3,6 keer hoger is dan die van zuiver BiPbO₂Cl bij de afbraak van methyloranje (MO) onder zichtbaar licht. De verbetering komt voort uit een intern elektromagnetisch veld, uitgebreide zichtbare-lichtabsorptie, superieure elektrische geleiding en een lager Ag-Ferminiveau.

Achtergrond

Milieuvuilering door organische verontreinigingen heeft de ontwikkeling van semiconductor-fotokatalysatoren aangereikt, met name ZnO en TiO₂, die voornamelijk ultraviolett licht absorberen. Om het rijke zichtbare spectrum te benutten, zijn bismuth-gebaseerde semiconductoren zoals BiPbO₂Cl - bekend om hun smalle bandkloof, interne elektrische velden en hybride bandstructuren - aantrekkelijk, maar ze lijden onder snelle elektronen-gat-recombinatie.

Het integreren van edele metalen of graphene met fotokatalysatoren kan recombinatie tegengaan door te fungeren als elektronenputten. Ag, Au en Pt hebben dergelijke effecten aangetoond. Hier combineren we Ag met BiPbO₂Cl om de zichtbare-licht fotokatalyse te verbeteren.

Methoden

Bereiding van Ag/BiPbO₂Cl-nanosheetcomposieten

BiPbO₂Cl-nanosheets werden gesynthetiseerd via een eentonige hydrothermale route (zie ref. 13). Voor Ag-lading werd 1 mmol BiPbO₂Cl gedispergeerd in 20 mL gedemineraliseerd water, waarna AgNO₃ werd toegevoegd bij 0,25, 0,5 of 0,75 wt%. Het mengsel werd bestraald met een 500-W Xe-lamp (afsnijfilter <420 nm) onder roeren bij kamertemperatuur gedurende 3 uur. De resulterende poeders werden gewassen, gedroogd bij 80 °C en bewaard voor analyse.

Fotokatalytische activiteiten

De fotokatalytische prestaties werden geëvalueerd met een 500-W Xe-lamp (afsnijfilter >420 nm) in een XPA-fotochemisch systeem. 50 mg katalysator werd gedispergeerd in 50 mL 10 mg L⁻¹ MO-oplossing, 1 uur in het donker geroerd om adsorptie-evenwicht te bereiken, en vervolgens belicht. UV-Vis-spectra werden opgenomen met een Shimadzu UV-2700.

Monsterkarakterisatie

XRD (Cu Kα, 1,54178 Å) werd uitgevoerd op een PANalytical X'Pert Pro. SEM (Hitachi S-4800) en TEM (JEOL JEM-2011) onderzochten de morfologie. UV-Vis diffuse-reflectiespectra werden verkregen op een Shimadzu UV-2450. XPS (Pekin Elmer PHI-5300) leverde oppervlaktechemie, en PL-spectra (Shimadzu RF-5301, 320 nm excitatie) beoordeelden ladingdragers-recombinatie.

Resultaten en discussie

MO-afbraak onder zichtbaar licht (>420 nm) toonde een duidelijke afhankelijkheid van de Ag-inhoud. Het 0,5 wt% Ag/BiPbO₂Cl-composiet bereikte de hoogste activiteit, met een afbraaksnelheidsconstante van 0,0158 min⁻¹, 3,6 keer die van onbehandeld BiPbO₂Cl (0,0044 min⁻¹) (Fig. 1a,b). Overmaat aan Ag vermindert het BiPbO₂Cl-oppervlaktegebied en daardoor de fotokatalytische plaatsen.

SEM-beelden tonen BiPbO₂Cl als ~12 nm-dikke nanosheets, terwijl Ag-nanodeeltjes (~10 nm) uniform verdeeld zijn op de composietoppervlakte (Fig. 2). HRTEM bevestigt de aanwezigheid van Ag (Fig. 2c). XRD-patronen (Fig. 2d) tonen geen nieuwe fasen, wat de lage Ag-inhoud aangeeft. EDS-kartering (Fig. 3) bevestigt homogene Ag-verdeling.

XPS-spectra (Fig. 4) bevestigen de aanwezigheid van Bi³⁺, Pb²⁺, O²⁻, Cl⁻ en metaal Ag (Ag⁰). De Ag 3d-pieken op 368,1 en 374,3 eV komen overeen met de literatuurwaarde voor Ag⁰ (ref. 23).

UV-Vis-absorptie (Fig. 5a) toont verbeterde zichtbare-lichtabsorptie (450-800 nm) door oppervlakteplasmonresonantie van Ag, wat het licht-opvangbereik vergroot. De bandkloof vernauwt van 2,05 eV (zuiver BiPbO₂Cl) tot 1,68 eV (0,5 wt% Ag) (Fig. 5b). PL-spectra (Fig. 5c) tonen een duidelijke intensiteitsverlaging, wat onderdrukte elektronen-gat-recombinatie bewijst.

Mechanistisch breidt de Ag-lading de zichtbare-lichtrespons uit, vestigt een intern elektromagnetisch veld door uitlijning van Ferminiveaus (Ag lager dan BiPbO₂Cl) en verbetert de geleiding. Opgewekte elektronen in BiPbO₂Cl overdragen snel naar Ag, waar ze O₂ reduceren tot •O₂⁻, terwijl gaten water oxideren tot •OH (Fig. 6). De gecombineerde actie van deze radicalen drijft MO-afbraak naar CO₂ en H₂O.

Conclusies

Hydrothermale synthese gevolgd door foto-reductie produceerde Ag/BiPbO₂Cl-nanosheetcomposieten met 0,5 wt% Ag-lading die zuiver BiPbO₂Cl overtref met 3,6× in zichtbare-licht fotokatalytische afbraak van MO. De verbeterde prestaties komen voort uit uitgebreide lichtabsorptie, verminderde ladingdragers-recombinatie en het creëren van een intern elektromagnetisch veld door Ag's lager Ferminiveau en superieure geleiding.