CQD-gedecoreerde BiFeO3 nanodeeltjes leveren superieure zichtbare en nabij-infrarood fotokatalyse voor AO7 afbraak en Cr(VI) reductie

Samenvatting

We hebben koolstofkwantumdot (CQD)-gedecoreerde BiFeO₃ nanodeeltjes gefabriceerd via een eenvoudige hydrothermale route. TEM en XPS bevestigden uniforme CQD-hechting op BiFeO₃ oppervlakken. Met Acid Orange 7 (AO7) en hexavalent chroom (Cr(VI)) als proefverontreinigingen, evalueerden we foto-Fenton afbraak en fotokatalytische reductie onder zichtbare en nabij-infrarood (NIR) bestraling. CQD/BiFeO₃ composieten presteerden meer dan tweemaal beter dan zuivere BiFeO₃ bij AO7-verwijdering en tot 80% beter bij Cr(VI) reductie, terwijl ze uitstekende herbruikbaarheid behielden. Fotostroom en EIS studies onthulden verbeterde ladingsscheiding, en radicalevangexperimenten identificeerden superoxide, gaten en hydroxyradicalen als sleutel reactieve soorten. Mechanistische inzichten die CQD up-conversie, elektronenoverdracht en foto-Fenton synergie koppelen, werden systematisch besproken.

Achtergrond

Industriële afvalstoffen die zware metalen en organische kleurstoffen bevatten, bergen ernstige milieu- en gezondheidsrisico's. Hexavalent chroom, vrijgelekt uit galvanische en loonprocessen, is hoogst toxisch, terwijl veel kleurstoffen recalcitrant en carcinogeen zijn. Fotokatalytische en foto-Fenton strategieën zijn aantrekkelijk vanwege hun lage kosten, brede substraatscope en operationele eenvoud. Echter, conventionele fotokatalysatoren met brede bandgappen reageren alleen op UV-licht (~5% van zonnestraling) en lijden onder snelle elektronen-gaten hercombinatie. Zichtbaar en NIR-licht vormen ~45% en ~46% van het zonnestralingsspectrum, respectievelijk, wat een groter energie-aanbod biedt voor duurzame sanering.

BiFeO₃ (BFO), een perovskietoxide, is een veelbelovende zichtbaar-licht fotokatalysator, doch de prestaties zijn beperkt door snelle ladinghercombinatie en verwaarloosbare NIR-activiteit. Koolstofkwantumdots (CQDs) zijn veelzijdige nano-koolstofadditieven die groot oppervlak, uitstekende geleidbaarheid, biocompatibiliteit, en unieke up-conversie luminescentie bieden, wat hen in staat stelt om zowel als elektronenacceptoren/donoren en NIR-gevoelige sensitizers te fungeren. Eerder werk toonde CQD/BFO composieten met verbeterde kleurstofafbraak onder zichtbaar licht, maar geen systematisch onderzoek naar foto-Fenton activiteit of NIR-gedreven katalyse is gerapporteerd.

Hier synthetiseren we CQD/BFO hybriden en onderzoeken systematisch hun zichtbare- en NIR-geïnduceerde fotokatalytische afbraak van AO7 en foto-Fenton reductie van Cr(VI). De studie verduidelijkt de rol van CQDs in ladingsscheiding, up-conversie, en redox-activiteit, wat een comprehensief raamwerk biedt voor het ontwerpen van breedband fotokatalysatoren.

Methoden

Bereiding van CQDs

CQDs werden gesynthetiseerd door hydrothermale verkooling van glucose (1 g in 80 ml water) bij 180 °C gedurende 4 uur. De resulterende roodbruine dispersie tweemaal gefiltreerd om grote aggregaten te verwijderen.

Fabricatie van CQD/BFO composieten

BFO nanodeeltjes werden gesynthetiseerd via een polyacrylamidge gel route. CQDs werden vervolgens gedeponeerd op BFO (0,1 g) door druppelgewijze toevoeging aan een 70 ml water suspensie onder ultrasonificatie, gevolgd door hydrothermale behandeling bij 130 °C gedurende 4 uur. Door CQD volume te variëren (3, 6, 12, 24 ml) werden 3C/BFO, 6C/BFO, 12C/BFO en 24C/BFO composieten bereid.

Foto-Fenton en fotokatalytische afbraak van AO7

Fotokatalytische en foto-Fenton afbraak werden uitgevoerd in 200 ml AO7 (5 mg L⁻¹) onder zichtbaar (420 nm afsnij) of NIR (800 nm afsnij) bestraling. Na 30 min adsorptie-evenwicht werd H₂O₂ toegevoegd voor foto-Fenton tests. Reactievoortgang werd gemonitord door UV-vis bij 484 nm. Herbruikbaarheid werd beoordeeld door herhaalde cycli met wassen en drogen van de katalysator.

Fotokatalytische reductie van Cr(VI)

Cr(VI) reductie experimenten gebruikten 200 ml oplossingen (10 mg L⁻¹) bij pH 2-3, met 0,2 g katalysator (1 g L⁻¹). Cr(VI) gekwantificeerd via de difenylcarbazide (DPC) methode.

Hydroxylradicaal detectie

Fluorescentie van 2-hydroxytereftalaatzuur (TAOH) gevormd uit tereftalaatzuur (TA) en ·OH werd geregistreerd (excitati 315 nm) om radicaalproductie tijdens bestraling te kwantificeren.

Karakterisatie

XRD, FTIR, TEM/HRTEM, DF-STEM, XPS, UV-vis DRS, PL, fotostroom, en EIS werden gebruikt om fasezuiverheid, morfologie, samenstelling, optische absorptie, ladingdynamica, en katalytische activiteit te onderzoeken.

Resultaten en discussie

XRD analyse

Alle monsters kristalliseerden in de rhombohedrale BFO fase (JCPDS 74-2016) zonder secundaire fasen. CQD pieken waren afwezig door lage lading.

FTIR analyse

FTIR spectras bevestigden karakteristieke Bi-O, Fe-O, en C-O trillingen, wat succesvolle CQD integratie verifieerde.

Optische absorptie eigenschap

UV-vis DRS toonde aan dat CQD lading de absorptie over het UV-vis bereik aanzienlijk verbeterde terwijl de BFO bandrand (~588 nm) behouden bleef. De eerste-derivatie analyse bevestigde onveranderde bandgap, wat aangeeft dat CQDs fungeren als licht-invang en ladingsoverdrachtsagenten in plaats van bandgap-modificateurs.

XPS analyse

XPS bevestigde de aanwezigheid van Bi³⁺, Fe³⁺/Fe²⁺, rooster en chemisorbeerde zuurstof, en C-C/C-O bindingen van CQDs, wat succesvolle composietvorming bevestigt.

Morfologische observatie

TEM/HRTEM onthulde ~120 nm BFO spheren gedecoreerd met ~15 nm CQDs. DF-STEM elementaire mapping bevestigde uniforme C verdeling op BFO oppervlakken.

Fotokatalytische en foto-Fenton prestaties

Onder zichtbaar licht bereikte 12C/BFO 73% AO7 afbraak in 3 uur, wat kaal BFO (33%) overtreft en andere CQD ladingen uitstijgt. Dezelfde trend gold voor Cr(VI) reductie (tot 80% in 3 uur). Foto-Fenton tests met H₂O₂ verhoogden AO7 verwijdering verder tot 96% (12C/BFO). Katalysator herbruikbaarheid bleef >90% na drie cycli.

NIR bestraling leverde verwaarloosbare activiteit voor kaal BFO maar maakte 35% AO7 afbraak, 63% Cr(VI) reductie en 49% AO7 foto-Fenton verwijdering mogelijk door 12C/BFO, wat de rol van CQDs als NIR sensitizers benadrukt.

Actieve soorten vangen

Scavenger studies onthulden ·O₂⁻ als de dominante soort in zowel fotokatalytische als foto-Fenton paden, met h⁺ en ·OH significant bijdragend. NIR-ge dreven processen berusten ook op deze radicalen, wat bevestigt dat CQDs elektronen genereren en overdragen aan BFO onder NIR excitatie.

Fotogegenereerde ladingdynamica

Fotostroommetingen toonden aan dat 12C/BFO ~3,5× hogere stroomdichtheid produceerde dan BFO onder zichtbaar licht, terwijl EIS Nyquist plots een kleinere halve cirkel voor 12C/BFO toonden, wat gereduceerde ladingsoverdrachtsweerstand aangeeft.

Katalytisch mechanisme

Onder zichtbaar licht genereert BFO elektronen-gaatjes paren die efficiënt gescheiden worden door CQDs, die fungeren als zowel elektronen donoren als acceptoren. CQD up-conversie emiteert 400-580 nm fotonen onder NIR excitatie, direct BFO exciterend en additionele ladingdragers genererend. In foto-Fenton cycli reageert H₂O₂ met oppervlakte Fe²⁺ om ·OH te produceren, terwijl fotogegenereerde elektronen Fe³⁺ terug reduceren naar Fe²⁺, een katalytische lus handhavend. Deze synergistische processen verklaren de aanzienlijk verbeterde AO7 afbraak en Cr(VI) reductie.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat CQD decoratie op BiFeO₃ nanodeeltjes zichtbare- en NIR-gedreven fotokatalyse en foto-Fenton activiteit naar AO7 en Cr(VI) significant verhoogt. De verbeteringen voortvloeien uit verbeterde ladingsscheiding, efficiënte elektronenoverdracht, en CQD up-conversie. De composieten behouden hoge stabiliteit over meerdere cyclen, wat ze positioneert als veelbelovende kandidaten voor duurzame afvalwaterbehandeling.