Efficiënte fotokatalytische afvalwaterbehandeling met zilver-gedecoreerde gereduceerde grafene-oxide nanoflakes

Samenvatting

Grafene-oxide (GO) werd verkregen via de gemodificeerde Hummers-methode, en gereduceerd grafene-oxide (rGO) werd verkregen door warmtebehandeling. Verscheidene concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 wt.%) zilver (Ag) werden geïntegreerd in GO-nanosheets door hydrothermale aanpak. Gesynthetiseerde Ag-gedecoreerde rGO fotokatalysator Ag/rGO werd gekarakteriseerd met Röntgendiffractie (XRD) om fasezuiverheid en kristalstructuur te bepalen. XRD-patronen toonden de vorming van GO naar Ag/rGO. Moleculaire trillingen en functionele groepen werden bepaald via Fourier Transform Infrarood spectroscopie (FTIR). Optische eigenschappen en een afname in bandkloof met toevoeging van Ag werden bevestigd met UV-Zichtbaar (UV-Vis) spectrophotometer en fotoluminescentie (PL). Elektronische eigenschappen en onorden in koolstofstructuren werden onderzocht via Raman-spectroscopie die de existentie van karakteristieke banden (D en G) onthulde. Oppervlaktemorfologie van bereide monsters werd onderzocht met veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM). Homogene distributie, grootte en bolle vorm van Ag NPs over rGO-bladen werden verder bevestigd met hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HR-TEM). Kleurstofdegradatie van gedopte en ongedopte monsters werd onderzocht via UV-Vis spectra. Experimentele resultaten gaven aan dat de fotokatalytische activiteit van Ag@rGO toeneemt met verhoogde dopingsverhouding ten gevolge van verminderde elektronen-gaten paar recombinatie. Daarom wordt voorgesteld dat Ag@rGO gebruikt kan worden als een nuttige en superieure fotokatalysator om het milieu en afvalwater te reinigen.

Inleiding

Water op aarde is gelijk aan bloed in onze lichamen. Het is een cruciale hulpbron voor het overleven en de ontwikkeling van alle levende soorten. Hoewel 71% van de aardoppervlakte bedekt is met water, wordt slechts 0,03% van het totale water beschouwd als zoetwater dat direct door mensen benut kan worden via zoetwatermeren, rivieren, en ondiepe grondwater. In de laatste decennia heeft ontoereikende beschikbaarheid van schoon drinkwater zich voorgedaan als een onverminderd mondiaal probleem. Snelle groei van de wereldbevolking en industrialisatie heeft geleid tot toenemende milieuvuilzing, zodanig dat ongeveer 750 miljoen mensen te maken hebben met gebrek aan toegang tot schoon water. Waterreservoirs worden herhaaldelijk gecontamineerd door diverse gevaarlijke verontreinigingen die zware metalen ionen, kleurstoffen, olie, en andere chemicaliën bevatten die vrijgekomen zijn van verschillende leerlooierijen en industrieën gerelateerd aan textiel, rubber, papier, cosmetica, verf, plastic, en voedsel. Volgens het Wereldbank rapport, wordt 17-20% van de watervuilzing veroorzaakt door de textielindustrie. Jaarlijks worden ~ 1/10 miljoen soorten kleurstoffen geproduceerd in talrijke textielprocessen, waarvan methylene blauw (MB) 10-15% direct in het afvalwater wordt geloost. Deze verontreinigingen creëren ernstige gezondheidsproblemen zoals kanker, huidirritaties, allergieën, en leverdysfunctie en zijn ook schadelijk voor aquatisch leven.

Om deze mondiale problemen aan te pakken, worden bepaalde conventionele behandelingsbenaderingen zoals ionenuitwisseling, elektrolyse, koolstoffilter, chemische coagulatie, biologische methoden, membraanfiltratie, en omgekeerde osmose (RO) toegepast. Niettemin, zijn reeks nadelen en beperkingen geassocieerd met deze technieken, waaronder onbekwaamheid, complexe procedure, hoge slibvorming, hoge implementatie- en operationele kosten, en gebruik van grote hoeveelheden energie. Daarom moeten efficiënte technologieën met bovengenoemde eigenschappen worden ontwikkeld; onder dergelijke technieken overkomt fotokatalyse de meeste tekortkomingen.

Tot nu toe heeft fotokatalytische degradatie met anorganische halfgeleider nanomaterialen enorme wenselijkheid en interesse getoond voor onderzoekers vanwege de uitstekende fysieke en chemische eigenschappen zoals lage toxiciteit, elektrochemische stabiliteit, super oxidatieve capaciteit, kosteneffectiviteit, en milieuvriendelijkheid. Tijdens het fotokatalytische (FC) proces, absorberen nanomaterialen meer zichtbaar lichtenergie dan bandkloof geïnitieerde excitatie tussen valentie- en geleidingsband. Door ladingsscheiding, worden elektronen-gaten paren gegenereerd. Vrije radicalen (OH) oxideren organische verbindingen en degraderen verontreinigingen.

Aan de andere kant, zijn sommige cruciale factoren vitaal om FC-prestaties te bepalen, specifiek het oppervlak van de fotokatalysator aangezien organische verontreinigingen primair degraderen op het oppervlak van de halfgeleider. Aanwezigheid van robuuste lichtabsorptiecapaciteit, snelle interfaciale redox-snelheid, onder diverse nanoestructuren; neigen tweedimensionale (2D) nanoestructuren ertoe deze kenmerken efficiënter te bereiken. 2D nanomaterialen bieden ook elektronen-transportkanalen door verminderde juncties en korngrenzen in contrast met andere spherische nanokristallen. Snel transport van elektronen vermindert de recombinatiesnelheid en verhoogt FC-degradatieprestaties. In deze lijn is grafene-oxide (GO) een geschikte kandidaat om halfgeleider FC-efficiëntie te bevorderen.

In de laatste decennia, naast CNTs en andere koolstof-gebaseerde nanomaterialen, heeft grafene met enkel atooms dikke nanosheet zich voorgedaan als een opvallende kandidaat met een breed scala aan veelbelovende relevante eigenschappen inclusief energieconversie, opslag, en katalytische activiteiten. In studies met betrekking tot waterbehandeling en distillatie, dankzij een groot aantal gedelokaliseerde elektronen geconjugeerd in sp² configuratie van koolstofnetwerk, verrijkt grafietische koolstof de transport van foto-elektronen en verhoogt significant de foto-conversie-efficiëntie van het systeem. Bovendien vertoont GO een hoge absorptiecapaciteit van organische materialen in een waterig medium. GO en gereduceerde grafene-oxiden (rGO) bieden FC-reactie en, vanwege hun smalle bandkloof, worden gepromoot als zichtbaar-licht-actieve halfgeleider fotokatalysatoren. Niettemin, is er ruimte voor verbetering aangezien foto-conversie slecht bleek te zijn veroorzaakt door de snelle recombinatie van elektronen-gaten paren op het oppervlak.

Foto-conversie-efficiëntie van fotokatalysatoren gebaseerd op GO/rGO kan worden verbeterd door elektronen-gaten recombinatie te voorkomen. Om dit doel te bereiken, zijn oppervlaktemodificaties goed ontwikkeld met edelmetaalionen waaronder platina (Pt), palladium (Pd), zilver, en goud nanopartikels (NPs). Het zilver onder de meest bestudeerde edelmetalen wordt beschouwd als een waarschijnlijke kandidaat voor modificatie van grafene en zijn analoge voor FC relevantie vanwege de lage kost, ongeëvenaarde optische eigenschappen, hogere chemische stabiliteit, en niet-toxische natuur. Meer immobiliteit van zilver nanopartikels gedecoreerd op rGO wordt erkend als verhoogde prestaties, primair ten gevolge van verhoogd reactief oppervlak en superieure ladingsscheiding. Unieke elektronen-aggregatie en transport eigenschappen van GO door geconjugeerd schema drijven warme elektronen naar reactieve plaatsen en onderdrukken recombinatie. Gezien de bovengenoemde voordelen, stelden we ons voor om verschillende verhoudingen van Ag-inhoud (2,5, 5, 7,5, 10) gewicht % met rGO fotokatalysator via hydrothermale route te synthetiseren om de fotokatalysator efficiëntie te onderzoeken en ook bereide monsters te karakteriseren door verschillende technieken om structurele, optische en elektronische eigenschappen te bestuderen.

Methoden

De huidige studie was gericht op het synthetiseren van diverse concentraties Ag in rGO nanosheets via hydrothermale route om de fotokatalysator efficiëntie te onderzoeken.

Materialen

Grafiet (99%) en natriumnitraat (NaNO₃) 99,9% werden verkregen van "Sigma-Aldrich", terwijl zwavelzuur (H₂SO₄, 37%) en fosforzuur (H₃PO₄) verkregen werden van "Analar". Zilver (Ag, 99,8%), kaliumpermanganaat (KMnO₄, 99%), en zoutzuur (HCL) werden verkregen van "Merck". Alle chemicaliën werden zonder verdere zuivering gebruikt.

Synthese van GO

De gemodificeerde Hummers-methode werd toegepast om GO te verkrijgen. Grafiet (5 g) en NaNO₃ (2,5 g) werden gemengd in H₂SO₄ (108 ml) met 12 ml H₃PO₄. Het mengsel werd magnetisch gerold in een ijskast voor 10 min; verder werd de filtratieoplossing gedroogd in een muffeloven bij 60 °C gedurende 2 uur om vocht te elimineren. Later werd KMnO₄ (15 g) langzaam toegevoegd bij een onderhouden temperatuur onder de 5 °C. De suspensie werd overgebracht naar een ijskast voor 2 uur na vigoreus roeren bij 98 °C gedurende 60 min terwijl water continu werd toegevoegd. Verder gedemineraliseerd water werd toegevoegd tot het suspensievolume 400 ml was na 5 min H₂O₂ (12 ml) werd gemengd. Ten slotte werd de suspensie gecentrifugeerd en herhaaldelijk gewassen met water en HCL, het product werd gedroogd bij 60 °C en de pH van GO werd 5,7 na wassen zoals geïllustreerd in Fig. 1.

Synthese van Ag/rGO

Het rGO werd geëxtraheerd uit GO door thermische reductie; GO is gereduceerd door het bij reductietemperatuur (300 °C) te houden; een plotselinge temperatuurverandering veroorzaakt eliminatie van functionele groepen en zuurstofatomen uit koolstofvlakken en exfoliatie van GO vindt plaats om rGO te produceren. Het rGO kan worden beschouwd als chemisch-afgeleide grafene, wiens structuur varieert van één laag tot multilagen. Ag-gedopte rGO met diverse concentratieverhoudingen werd hydrothermaal gesynthetiseerd, gebruikmakend van 800 mg GO nanosheets geïntegreerd met (25, 50, 75, en 100 mg) Ag in 80 ml gedemineraliseerd water onder vigoreus roeren voor 20 min. De oplossing werd vervolgens gecentrifugeerd (30 min) en vervolgens overgebracht naar een 100 ml Teflon-gevoerde autoklaaf, verzegeld, en opgeverwarmd tot 200 °C (24 uur). Het eindproduct werd gedroogd bij ~ 200 °C zoals getoond in Fig. 1.

Fotokatalytische Activiteit

Fotokatalytische activiteit van bereide producten werd geëvalueerd door de degradatie van synthetisch methylene blauw (MB) in waterig medium zoals getoond in Fig. 2. Kleurstof (5 mg/500 ml) werd bereid met 10 mg suspensie van fotokatalysator (0,025:1, 0,050:1, 0,075:1, en 0,1:1) onder roeren (5 min) en blootgesteld aan donker voor 30 min om significante absorptie te bereiken. 60 ml van bereide oplossing met vigoreus roeren werd overgebracht naar foto-reactor onder kwikklamp (400 W en 400-700 nm) gebruikt als zichtbare lichtbron. Na lichtexpositie voor gespecificeerde tijdsintervallen (20 min), werd suspensie (3 ml) verzameld om kleurstofdegradatie te bepalen. De concentratie/absorptie van MB werd onderzocht met UV-Vis spectrometer; de decolorisatie-efficiëntie van de bereide fotokatalysator werd geëvalueerd als: Degradatie (%) = [1 − (C/C₀)] × 100, waar C₀ de absorptie is bij t = 0 en C de absorptie op tijd t (specifiek tijdsinterval).

Het mechanisme van fotokatalytische degradatie van organische moleculen wordt verduidelijkt als volgt (Fig. 2). Wanneer fotokatalysator (Ag/rGO) wordt bestraald met fotonen van energie gelijk aan of meer dan de bandkloofenergie van FC, dan worden elektronen (e⁻) geëxciteerd van de valentieband (VB) naar de geleidingsband (CB). Gegenereerde elektronen door bestraling kunnen gemakkelijk worden gevangen door O₂ geabsorbeerd molecuul op het oppervlak van fotokatalysator (FC) of opgeloste O₂ om superoxide radicalen te geven, d.w.z. O₂•⁻. Dus kan O₂•⁻ reageren met H₂O om hydroperoxyradicaal (H₂O•) en hydroxylradicaal (OH•) te produceren, welke invloedrijke oxidiserende agenten zijn die organische moleculen decomponeren. Gelijktijds kunnen fotogegenereerde gaten worden gevangen door oppervlakte hydroxylgroepen (H₂O) op het oppervlak van een fotokatalysator om hydroxylradicalen (OH•) te produceren. Uiteindelijk zullen organische moleculen geoxideerd worden om CO₂ en H₂O te produceren. Tijdelijke, lichte recombinatie van positieve gat en elektron kan plaatsvinden wat de fotokatalytische activiteit van bereide nanokatalysator kan verminderen.

Materialen Karakterisering

Kristalstructuur en fase-informatie van GO en Ag@rGO werden onderzocht via XRD, door spectrum Bruker systeem (XRD, D2 Phaser, VS) uitgerust met monochromatische Cu K straling van een gemiddelde golflengte van 0,154 nm (5-80°) met een scansnelheid van 0,05/min. FTIR Perklin Elmer 3100 spectrometer met een spectraal bereik van 4000–400 cm⁻¹ met een toename van 32 scans en een resolutie van 0,2 cm⁻¹ werd gebruikt om functionele groepen en andere moleculaire trillingen van bereide monsters te detecteren. Optische eigenschappen werden vastgelegd via UV-Vis spectrophotometer (TECAN infinite M200PRO) in het bereik van 200–700 nm. Oppervlaktemorfologie en interlaafstand van gesynthetiseerde monsters werden waargenomen met veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM), JSM-6460LV en hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HR-TEM) Philips CM30, en JEOL JEM 2100F. Om GO, Ag/rGO flakes en trillingsmodi te bevestigen, werden Raman-spectra gebruikt op Renishaw in door reflex confocal Raman-microscoop met een golflengte van 532 nm (6 mW) laser. Fotoluminescentie-spectra van als-bereide en gedopte monsters werden vastgelegd via spectrofluorometer (JASCO, FP -8300).

Resultaten en Discussie

De fasestructuur en kristallietgrootte van bereide Ag-geïnsereerde rGO nanosheets werden onderzocht met XRD-analyse (Fig. 3a). Diffractogram van GO toont intense reflectie gelegen op ~ 10,27° toegeschreven aan (001) vlak met een interlaafstand van 0,80 nm. Bij Ag-doping ontstaat een brede piek op ~ 25,4°, herkend als de karakteristieke piek van grafene geïndexeerd als (002) vlak (JCPDS Nr# 04-0783) van hexagonale grafiet, met d-afstand van 0,34 nm. Piek (001) onthult dat het grafietpoeier volledig geoxideerd is tot GO en (002) piek bevestigt de verwijdering van polyhydrocarboon template tussen twee lagen van rGO. Na Ag-substitutie, verschuift GO-piek (001) naar een hogere waarde tot 2θ bij 25,4° met lagere d-afstand, evident voor redox-reactie tussen grafene-oxide en zilver-ionen (Ag-rGO) en d-verschuivingswaarde na reductie veroorzaakt door de verwijdering van zuurstofbevattende groepen die intercaleert tussen lagen van gereduceerd grafene-oxide (rGO) zichtbaar in XRD-diffractogram. Gemiddelde kristallietgrootte beoordeeld door Scherer's vergelijking: D = kλ / (β cos θ). De kristallietgroottes zijn respectievelijk ~ 4,85, 11,3, 11,53, 11,6, en 28,3 nm gevonden. In Verg. (8) k = 0,89, β = FWHM, λ = 0,154 nm, en θ = diffractiehoek. Geselecteerde gebied elektronen-diffractie (SAED) in Fig. 3b en c corresponderend met XRD-patronen van bereide monsters vertoont duidelijke ringkenmerken en wijst op hexagonale fase van GO en Ag/rGO gemanifesteerd tot goed-gekristalliseerde producten; ook was ring-indexering consistent met XRD-patronen.

Fourier transformatie infrarood (FTIR) spectra van GO en Ag-gedopte rGO zijn geïllustreerd in Fig. 3d. Waargenomen piek ~ 3433 cm⁻¹ correspondeert met O-H rektrilling. Lage transmissie pieken bij 1719 cm⁻¹ toegewezen aan C=O rektrillingen veroorzaakt door COOH groepen en de band bij 1627 cm⁻¹ toegewezen aan de aromatische C-C rekking. Piek bij ~ 2371 cm⁻¹ toegewezen aan COO groepen. Transmissiepiek (~ 650 cm⁻¹) is een vingerafdrukregio van gehybrideerde sp² koolstofbinding toegewezen als C-H buigtrilling. Band ~ 1082 cm⁻¹ correspondeert met C–O–C van hydroxyl rektrillingen, bij doping veranderde de piekwaarde van functionele groepen op het gedopte monster iets terwijl hun vormen vergelijkbaar bleven.

Optische eigenschappen in termen van absorptie en bandkloofanalyse van Ag-rGO fotokatalysator werden onderzocht via UV-Vis spectrograaf variërend van 200-700 nm zoals getoond in Fig. 4a. Het UV-Vis spectrum van GO vertoont karakteristieke piek rond 230 nm ten gevolge van π–π* overgang van aromatische C–C bindingen wat herstel van een uitgebreid geconjugeerd raamwerk van sp² koolstofatomen aangeeft. Een andere schouderpiek waargenomen bij 300 nm toegeschreven aan n–π* overgangen van C=O bindingen. Integen, werden deze twee pieken zwakker in het geval van Ag/rGO corresponderend met π–π* overgang van aromatische C–C bindingen rood-verschuivend bij 270 nm wat de reductie van GO bevestigt en geen herstel van elektronenconjugatie van grafene aangeeft. De absorptie in het zichtbare gebied (~ 400 nm) ten gevolge van hun oppervlakteplasmonische resonantie van Ag NPs die verder bewijs is als zichtbaar-licht-actieve fotokatalysator voor verwijdering van organische lichamen. Bandkloof werd berekend door Tauc-vergelijking; αhν = D(hν − Eg)ⁿ door plotten van (αhν)² vs hν door extrapolatie van lineaire fits, de band werd berekend op 4,10 eV voor GO en 3,98 tot 3,50 eV voor Ag/rGO, bandkloof daalde geleidelijk met hogere doping van Ag NPs duidelijk waargenomen in Fig. 4b.

De morfologische kenmerken van GO en Ag-rGO monsters verduidelijkt door FESEM en HR-TEM getoond in Fig. 5. GO afbeeldingen (Fig. 5a) tonen enkele lagen van microstructuren met rijke vouwen en fluffy morfologie gelijkend op dun gordijn. Afbeeldingen van Ag@rGO (Fig. 5b-d) tonen gedeeltelijk gevouwen en krullende transparante nanosheets met kleine fluctuaties die essentieel zijn om thermodynamische stabiliteit van grafene te verkrijgen, ten gevolge van de 2D kristalstructuur. Nanosheets vertoont extreem schone, zijde-achtige en golvende structuren en dit kenmerk kan belangrijk zijn om aggregatie van rGO bladen te vermijden en oppervlak te faciliteren voor bevestiging van Ag NPs op grafene bladen wat visualizeerd kan worden in HR-TEM afbeeldingen. De corresponderende HR-TEM afbeeldingen (Fig. 6 a₁-d₁), GO vertoont lamellaire en bladachtige structuur met een schoon oppervlaktegebied (Fig. 6a₁), in Ag-rGO monster (Fig. 5 b₁) weinig stapelvouwen ten gevolge van hun vervormingen door een hoge fractie van sp³ C–O bindingen. Met toenemende concentratie Ag NPs (Fig. 6 c₁, d₁) onthulden afbeeldingen een goed-gedispergeerde en homogene spreiding van bolvormige Ag NPs op het oppervlak van rGO bladen met een gemiddelde deeltjesgrootte van 10-12 nm. In Fig. 6 d₁ met een hogere concentratie (10%) van Ag, nam aggregatie van deeltjes toe wat evident is voor gedopte soorten.

De extreem hoge resolutie afbeeldingen tot 5 en 10 nm d-afstand van Ag/rGO monsters kunnen duidelijk waargenomen worden in Fig. 6a-d. Omcirkelde gebieden wijzen op de aanwezigheid van Ag NPs met roosterafstand van Ag nanokristal van ongeveer 0,235 nm.

Fotoluminescentie (PL) analyse werd uitgevoerd om levensduur, overdracht, en vangen van elektronen-gaten paar te onderzoeken en studie van de interactie tussen grafene nanoestructuren, zijn invloed op fotokatalytische respons geïllustreerd in Fig. 7a. Grafiet vertoont geen luminescentie-eigenschappen door nul bandkloof. Niettemin, bij een afname in grootte tot nano-schaal, wordt bandkloof wijd veroorzaakt door kwantuminsluitingseffect. In nanosheets van GO en rGO, veranderden oxidegroepen en koolstofvacatures de grafene om enige koolstof nano-cluster te vormen dat halfgeleidersgedrag en luminescentiefenomeen vertoont wat beïnvloed kan worden door grootte of fractie van ketens en clusters. In PL-spectra, waren luminescentie-pieken gelegen op ~ 330, 565, en 608 nm wat toegeschreven wordt aan elektronen-gaten paar recombinatie in lokale toestand van sp² koolstofclusters geïntegreerd met sp³ matrix. Daarom is rGO luminescentie ten gevolge van verdwenen zuurstoffunctionele groepen die de percolatie van paden tussen sp² clusters faciliteren. Significante piek bij ~ 565 nm daalde scherp in het geval van rGO met reductie van GO oxidefunctionele groepen die afnamen en sp² koolstofclusters zich tegelijkertijd uitbreidden.

Raman-spectroscopie werd ingezet om elektronische en structurele eigenschappen van het controlemonster en Ag@rGO te onderzoeken voor het onderscheiden van geordende en ongeordnete koolstofstructuren zoals gedemonstreerd in Fig. 7b, c. In het geval van GO, zijn twee banden gelegen op ~ 1340 en ~ 1590 cm⁻¹ toegewezen als D en G band, respectievelijk. De D-band is toegewezen aan ademhalingsmodus van k-punt fononen met A₁g symmetrie en band van sp³ koolstofatomen; G-band suggereert een karakteristieke piek van sp² hybride structuur wat symmetrie en kristallisbaarheid van koolstof onthult en E₂g fonenverstrooiing van koolstofatomen introduceert. Bovendien is D-band evident voor oppervlaktedefecten en structurele onvolkomenheden die ontstaan met bevestigde hydroxyl- en epoxide-functiegroepen met koolstofbasisvlakken. De G-band is de enige Raman-modus in grafene afkomstig van een conventionele eerste-orde Raman-verstrooiingsproces en correspondeert met in-vlak zonecentrum, dubbel-gedegeneerde fonenmodus (transvers (TO) en longitudinale (LO) optische) met E₂g symmetrie. In het geval van Ag-rGO Raman-spectrum waargenomen bij 1338 cm⁻¹ (D-band), 1583 cm⁻¹ (G-band) en 2682 cm⁻¹ (2D-band) is er een additionele piek gecentreerd bij 2900 cm⁻¹ (D + G-band) die onorde vertegenwoordigt door combinatieverstrooiing in Fig. 7b, c. De D- en 2D-moden stammen uit het tweed-orde dubbele resonante proces tussen niet-equivalente k-punten in Brillouin-zone (BZ) van grafene, als 2D-band duidt op tweede orde van D-band wat alludeert aan overtoon van D-band met zijn existentie door twee fonen-roostertrillingsprocessen; niettemin, is het niet geassocieerd met defecten zoals D-band in Fig. 7c. De variaties in relatieve intensiteiten van G- en D-band in Raman-spectra van GO tijdens reductie worden meestal aangewezen op een verandering in elektronische conjugatietoestand. Deze verandering suggereert een toename in het aantal sp² atoomsdomeinen na reductie van GO. De intensiteitsverhouding van D tot G-band definieert onordensgraad in grafietlagen; I_D/I_G = 0,87 voor een dopingsvrij monster (GO), I_D/I_G = 1,15 voor Ag-gedopte monsters en toename in verhouding wijst op een afname in de gemiddelde grootte van sp² koolstofdomeinen na synthese van Ag@rGO, terwijl intensiteitsverhouding tussen 2D- en G-band (I_2D/I_G) wat 1,69 is, gebruikt is om elektronenconcentratie in rGO te onderzoeken.

Ag nanopartikels, wanneer gedopt in een halfleider materiaal, genereren een contact potentiaalverschil ten gevolge van hun verschillende werkfuncties. Dit potentiaalverschil wordt de Schottky-barrière genoemd. Zoals getoond in Fig. 8, is de bandbuiging wanneer een contact wordt gevormd na het bereiken van evenwicht afhankelijk van de relatieve energiëen van de werkfuncties van metaal (ϕ_M) en de halfgeleidende (ϕ_B) componenten. Dit fenomeen kan de ladingsscheidingsefficiëntie aanzienlijk verbeteren, eenmaal het de directionele migratie van fotogegenereerde elektronen van de halfgeleider naar het metaal kan induceren. Met andere woorden, het kan leiden tot de generatie van effectieve elektronenvangplaatsen om de elektronen-gaten recombinatie te onderdrukken.

De fotokatalytische activiteit van GO en Ag/rGO nanosheets trad op ten gevolge van hun hoge oppervlakte en lage bandkloofenergie. Dus vertoont Ag/rGO aanzienlijke verbetering in foto-degradatie van MB en de kleurstof degradeert volledig (Fig. 9b) in 120 min. De pseudo-eerste-orde vergelijking kan worden gebruikt om de fotokatalytische efficiëntie (Fig. 8a) van GO en Ag/rGO monsters expliciet te verduidelijken, met de volgende expressie: −ln(C_t/C₀) = kt, waar C₀ de initiële concentratie van kleurstof is en C_t de concentratie op tijd t, k is de schijnbare snelheidsconstante van degradatieproces die zichtbaar is in absorptieplot (Fig. 9a), d.w.z. waarde van k voor GO is ongeveer 0,1300 min⁻¹ en k neemt buitengewoon toe in het geval van Ag/rGO (0,1300 min⁻¹ tot 0,7459 min⁻¹). Figuur 9c onthult vergelijking van % degradatie met tijd, GO toont 65% efficiëntie en een geleidelijke toename met dopingsconcentratie. Ag/rGO (0,10:1) toont maximum % degradatie tot 100% wat waarschijnlijk is door synergistische effecten van Ag NPs. Ten slotte, op basis van deze bevindingen in de huidige studie, kan worden voorgesteld dat Ag/rGO een uitstekend product is dat gebruikt kan worden voor zuivering van water van organische kleurstoffen.

Conclusie

GO werd met succes verkregen via de gemodificeerde Hummers-methode en rGO werd gesynthetiseerd van thermische behandeling tijdens de insertie van Ag (2,5, 5, 7,5, en 10 wt.%) via hydrothermale route. Volgens XRD-patroon, piekverschuiving en afname in d-afstand (0,34 tot 0,023 nm) wijzen op redox-reactie van GO bij Ag-doping met hexagonale kristalstructuur; gemiddelde kristallietgrootte toename (4,85 tot 15,6 nm) met substitutie van Ag wordt waargenomen. FTIR-spectra bevestigden transmissiepiek rond 650 cm⁻¹ wat een vingerafdrukregio is van gehybrideerde sp² koolstofbinding toegewezen als C-H buigtrilling en onthult informatie over andere bevestigde functionele groepen. De karakteristieke piek toegeschreven aan π–π* en n–π* binding en roodverschuiving in pieken. Het bevestigt de aanwezigheid van Ag zoals verduidelijkt met UV-Vis spectroscopie, een duidelijke afname in bandkloofenergie (4,10 tot 3,50 eV) met verhoogde dopingsverhouding die berekend werd met de hulp van Tauc-vergelijking. Morfologische kenmerken tonen stapellagen van GO en Ag/rGO met een roosterafstand van ~ 0,235 nm, bolle vorm, en grootte (10-12 nm) van Ag NPs gevisualiseerd via HR-TEM. De koolstofatomen van lokale toestand sp² clusters geïntegreerd met sp³ matrix, significante piekdal in het geval van rGO en uitgebreide sp² koolstofcluster bij doping bevestigd met PL-spectra. A₁g symmetrie in sp³ koolstofatomen bij D-band, sp² hybride structuur die symmetrie en kristallisbaarheid van koolstof onthult en E₂g fonenverstrooiing van een koolstofatoom en oppervlaktedefecten werden berekend via Raman-spectra. Fotokatalytische activiteit reageert op Ag/rGO (0,10:1) en degradeert 100% van MB-concentratie. Deze bevindingen suggereren dat bereide nanokatalysator geen gevaarlijk gedrag vertoont in waterbehandeling en een uitstekende nanokatalysator is voor de eliminatie van organische verontreinigingen uit afvalwater.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder beperking.

Afkortingen

UV-Vis:

Ultraviolet zichtbare spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie

FTIR:

Fourier transformatie infrarood spectroscopie

EDS:

Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie

JCPDS:

Gemeenschappelijke commissie voor poederdiffractiestandaarden