Herstellung und photokatalytische Eigenschaft neuartiger SrTiO3/Bi5O7I-Nanokomposite

Hintergrund

Farbstoffe aus der Textil- oder Farbstoffindustrie haben wegen der Auswirkungen auf die Qualität der Wasserressourcen und der toxischen und krebserregenden Abbauprodukte große Besorgnis erregt [1]. Daher werden kompetentere Behandlungstechniken benötigt, um Farbstoffe vollständig aus dem Abwasser zu entfernen. Zur Farbstoffsanierung aus Abwasser wurden mehrere konventionelle Methoden mit physikalischen, chemischen und biologischen Methoden angewendet [2]. Diese Verfahren können Farbstoffe aus Abwasser entfernen, sind jedoch oft teuer, ineffizient und produzieren sekundäre Abfallprodukte [3, 4]. Unter verschiedenen Technologien zur Behandlung von Farbstoffabwasser hat die halbleiterbasierte Photokatalyse großes Interesse gefunden und weltweite Aufmerksamkeit auf sich gezogen [5,6,7]. Dies liegt daran, dass es Sonnenenergie zum Abbau von Farbstoffschadstoffen nutzt, deren Energiequelle reichlich, unerschöpflich, umweltfreundlich und kostenlos ist [8, 9]. Derzeit TiO₂ ist der am weitesten verbreitete Halbleiter-Photokatalysator aufgrund seiner hohen Photoaktivität, geringen Kosten, chemischen und photochemischen Stabilität, Ungiftigkeit und umweltfreundlichen Eigenschaften. Es zeigte jedoch aufgrund seiner breiten Bandlücke von 3,2 eV und der schnellen Rekombination photogenerierter Ladungsträger eine sehr geringe photokatalytische Aktivität bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht [10]. Um die oben genannten Probleme effektiv zu lösen, wurde der Oberflächenmodifizierung oder der Kombination von Halbleiterphotokatalysatoren viel Arbeit gewidmet [11]. Dennoch bleibt die Entwicklung neuartiger und hocheffizienter Photokatalysatoren eine große Herausforderung [12].

Bi₅ O₇ I ist ein neu entdeckter p-Typ-Halbleiter, der ein relativ positiveres Valenzband (VB) zeigt als andere Bismutoxyiodide, indem er mehr photoangeregte Löcher bereitstellt und anschließend die Trennung photogenerierter Ladungsträger erleichtert [13]. Daher ist die Bi₅ O₇ I Photokatalysator zeigt eine hohe Aktivität für den Photoabbau von Rhodamin B (RhB) in Wasser und Acetaldehyd unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht [14]. Leider ist die praktische Anwendung von Bi₅ O₇ I Photokatalysator in der Umweltdekontamination ist noch begrenzt, was auf seine geringe Transfereffizienz zurückzuführen ist, die durch die Rekombination von photogenerierten Elektronen und Löchern verursacht wird [15]. Zur weiteren Verbesserung der Photoaktivität von Bi₅ O₇ I, es wurden viele Versuche unternommen, wie die Dotierung mit Metallen oder Nichtmetallen [16] oder die Kopplung mit anderen Halbleitern. Huang et al. synthetisiertes g-C₃ N₄ /Bi₅ O₇ I-Heteroübergang über ein Cokristallisationsverfahren, und der Verbundstoff zeigte eine 2,9-mal höhere Abbaurate als reines Bi₅ O₇ ich [17]; Chenget al. fabriziertes Bi₅ O₇ I/Bi₂ O₃ Komposit über ein chemisches Ätzverfahren, das eine hohe photokatalytische Aktivität bei der Zersetzung von Malachitgrün zeigte [18]; Huet al. berichteten, dass ein Verbundstoff mit n-Typ-Sr₂ TiO₄ und p-Typ Bi₅ O₇ Ich zeigte eine erhöhte Photoaktivität aufgrund der Hemmung der Elektron-Loch-Rekombination [19]; Cui et al. hergestelltes AgI/Bi₅ O₇ Ich hybride über eine einfache einstufige ionische Reaktion und das AgI/Bi₅ O₇ I Composite verstärkte die photokatalytische Aktivität [20] und so weiter. Diese Ergebnisse zeigten, dass Bi₅ O₇ I-basierte Komposite zeigten eine verbesserte photokatalytische Leistung bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Daher können wir Bi₅ . herstellen O₇ I-basierte Komposite durch Kopplung an einen anderen Halbleiter mit geeignetem Leitungsband (CB) und VB-Positionen als vielversprechender durch sichtbares Licht angetriebener Photokatalysator. Unter verschiedenen Kandidaten ist Strontiumtitanat (SrTiO₃ ) ist ein Halbleitermaterial vom n-Typ, das wegen seiner vielen hervorragenden Eigenschaften, z. B. thermische Stabilität, gute Hitzebeständigkeit, Korrosion und Beständigkeit, umfassend untersucht wurde [21,22,23]. Reines SrTiO₃ absorbiert nur UV-Licht aufgrund seiner großen Bandlücke von 3,1~3,4 eV [24]. Glücklicherweise ist die VB von SrTiO₃ befindet sich zwischen CB und VB von Bi₅ O₇ I, während sein CB über dem CB von Bi₅ . positioniert ist O₇ I. Unter Berücksichtigung der strukturellen Vorzüge von Bi₅ O₇ I, Kombination von SrTiO₃ mit Bi₅ O₇ I um das SrTiO₃ . zu bilden /Bi₅ O₇ I-Komposit kann ein praktikabler und empfehlenswerter Weg sein, um die hohe photokatalytische Aktivität zu realisieren.

In dieser Arbeit wurde eine Reihe von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit-Photokatalysatoren wurden zuerst synthetisiert. Ihre Kristallphase, Mikrostruktur und optischen Eigenschaften wurden mit einer Reihe von Techniken untersucht. Das SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite zeigten eine verbesserte photokatalytische Leistung beim Abbau von Rhodamin B (RhB)-Lösung unter simulierter Sonneneinstrahlung. Der mögliche photokatalytische Mechanismus des SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanocomposites wurde auch basierend auf den experimentellen Beweisen aufgeklärt.

Methoden

Vorbereitung von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Verbundwerkstoffe

SrTiO₃ Nanopartikel und SrTiO₃ /BiOI-Komposite wurden zunächst über ein Sol-Gel-Verfahren synthetisiert, wie in der Literatur beschrieben [25, 26]. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Komposite wurden dann durch eine thermische Zersetzungsroute synthetisiert. Alle chemischen Reagenzien wurden ohne weitere Reinigung direkt für die Experimente verwendet. Während der thermischen Zersetzung wird das so hergestellte SrTiO₃ /BiOI-Komposite wurden in einen Röhrenofen gegeben und das Heizprogramm wurde wie folgt eingestellt:Rampen bei 5 °C min ^− 1 auf 500 °C kontinuierlich und halten bei 500 °C für 3 h. Dann wurde der Ofen natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt, um 10 Gew.-% SrTiO₃ . zu erhalten /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit. Anderes SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokompositmaterialien mit unterschiedlichem SrTiO₃ Inhalte wurden auf ähnliche Weise erstellt.

Beispielcharakterisierung

Die Kristallstrukturen der synthetisierten Proben wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) mit Cu K_α . charakterisiert Strahlung (D/max-2500, Rigaku). Die Morphologie der Proben wurde mit einem ultrahochauflösenden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM; SUAPR55, Deutschland Zeiss) mit energiedisperser Röntgenspektroskopie (EDS) untersucht. Die elementare Oberflächenkomponente und der chemische Zustand der Proben wurden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS; Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, UK) mit einem monochromatisierten Al K_α . analysiert Röntgenquelle (hν = 1486.6 eV). Die ultravioletten-visiblen (UV-vis) diffusen Reflexionsspektren (DRS) wurden unter Verwendung eines UV-Vis-Spektrophotometers (UV-2450, Shimadzu) erhalten. Die funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Proben wurden in einer Nicolet iS50 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR; Thermo Fisher Scientific, USA) untersucht. Die Photolumineszenz-(PL)-Emissionsspektren wurden auf einem stationären Fluoreszenzspektrometer LH110911 gemessen.

Photokatalytische Bewertungsstudien

Die photokatalytische Aktivität der Materialien wurde über die Zersetzung von RhB unter simulierter Sonneneinstrahlung (UV-Licht) in einer Photoreaktionsapparatur bewertet. Nach 30 Minuten Adsorption im Dunkeln befindet sich die Adsorption-Desorption im Gleichgewicht zwischen Photokatalysator und RhB-Molekülen. Als simulierte Solarlichtquelle (UV-Lampe) wurde eine 500 W-Xenonlampe verwendet. Einhundert Milligramm Photokatalysator wurden vollständig in 100 ml RhB-Lösung (20 mg/l) dispergiert. Während jedes photokatalytischen Experiments wurden alle 30 Minuten 3 ml der Suspension abpipettiert und zentrifugiert, um Katalysatorpartikel zu entfernen. Die Konzentration des RhB wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

XRD-Analyse

Die Pulver-XRD-Muster liefern die Kristallstruktur und Phaseninformationen der synthetisierten Proben, wie in Abb. 1 gezeigt. Das SrTiO₃ Probe ist hochkristallisiert mit einer Perowskitstruktur (JCPDS Nr. 35-0734). Die Beugungspeaks am 2θ Werte von 22,75 °, 32,39 °, 39,95 °, 46,47 °, 52,34 °, 57,78 °, 67,82 ° und 77,18 ° können indiziert werden auf (100), (110), (111), (200), (210), (211), (220) bzw. (310) Kristallebenen [27]. Es wird kein anderer spezifischer Beugungspeak festgestellt. Aus dem XRD-Muster von reinem Bi₅ O₇ I ist ersichtlich, dass die Hauptbeugungspeaks bei 7,71°, 13,31°, 15,38°, 23,19°, 28,08°, 31,09°, 33,43°, 46,28°, 47,69°, 53,45°, 56,51° und 58,02° übereinstimmen zu (001), (201), (002), (401), (312), (004), (020), (024), (224), (714), (332) und (624) Ebenen der Bi₅ O₇ I (JCPDS Nr. 10-0548) bzw. [28]. Der stärkste Peak entspricht der (312)-Kristallebene von Bi₅ O₇ I. Aus dem XRD-Muster von 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit kann festgestellt werden, dass alle prominenten Beugungspeaks von tetragonalem Bi₅ . stammen O₇ I und Perowskit SrTiO₃ . Es wurden keine anderen offensichtlichen Verunreinigungspeaks beobachtet, was darauf hindeutet, dass das Bi₅ O₇ I und SrTiO₃ Phasen koexistieren im Verbund.

XRD-Muster von reinem Bi₅ O₇ Ich, SrTiO₃ und 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit

XPS-Analyse

Die XPS-Messungen liefern weitere Informationen zur Bewertung der elementaren Oberflächenzusammensetzung und Reinheit des 30 Gew.-% SrTiO₃ . /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit. Die bei der XPS-Analyse erhaltene Bindungsenergie wurde für die Probenladung korrigiert, indem C 1 s auf 284,65 eV bezogen wurde, und die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Das XPS-Übersichtsscanspektrum des Verbundmaterials ist in Abb. 2a gezeigt, das die Existenz von Ti-, Sr-, Bi-, I- und O-Elementen im Verbund. Die beiden starken Peaks bei 159,02 und 164,25 eV werden jeweils Bi 4f_5/2 . zugeordnet und Bi 4f_7/2 Spitzen von Bi ³⁺ im SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposite wie in Abb. 2b [29] gezeigt. In den XPS-Spektren von I 3d, die in Abb. 2c gezeigt sind, die beiden starken Peaks bei 617,88 und 630,22 eV, entsprechend I 3d_5/2 und ich 3d_3/2 , weisen auf die Oxidationsstufe − 1 von Jod hin [30]. Wie in Abb. 2d gezeigt, sind die Bindungsenergien von Ti 2p_3/2 und Ti 2p_1/2 entsprechen den Peaks bei 457,90 bzw. 463,80 eV im Spektrum von Ti 2p. Der Peakabstand zwischen dem Ti 2p_3/2 und Ti 2p_1/2 5,90 eV beträgt, was auf einen Oxidationszustand von + 4 von Ti in SrTiO3/Bi₅ . hinweist O₇ I Komposite [31]. In Abb. 2e entsprechen die Peaks bei 132,50 und 134,25 eV den Bindungsenergien von Sr 3d_5/2 und Sr 3d_3/2 , die auf seine Existenz im Sr ²⁺ . hinweist Zustand [32]. In Abb. 2f werden die Peaks bei 529,65 und 531,25 eV O 1 s zugeschrieben. Der Peak bei 529,65 eV wird dem Gittersauerstoff von SrTiO₃ . zugeschrieben /Bi₅ O₇ I Nanokomposite, und der Peak bei 531,25 eV wird im Allgemeinen dem chemisorbierten Sauerstoff zugeschrieben, der durch Sauerstoffleerstellen verursacht wird [33]. Das XPS-Ergebnis bestätigt weiter die Bildung von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposite, und es wurde eine enge Integration erreicht, die gut mit den XRD-Ergebnissen übereinstimmt.

XPS-Muster von 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposite:a Umfrage, b Bi 4f, c ich 3d , d Ti 2p, e Sr 3d und f O1s

SEM- und EDS-Analyse

Die Oberflächenzusammensetzungen und Morphologien von reinem SrTiO₃ . wie hergestellt , Bi₅ O₇ I und 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit wurden durch FE-SEM beobachtet. Wie in Abb. 3a zu sehen, reines SrTiO₃ besteht aus kugelförmigen oder kugelförmigen Partikeln mit Durchmessern im Bereich von 50–300 nm. Das kleinere SrTiO₃ Teilchen sind offensichtlich bis zu einem gewissen Grad miteinander aggregiert. In Abb. 3b für Bi₅ O₇ I-Nanoblätter haben eine durchschnittliche Größe von etwa 1 μm und eine Dicke im Bereich von 80 bis 100 nm, die der zuvor berichteten ähnlich ist [13]. Im Gegensatz dazu wird nach der Kombination der Bi₅ O₇ I besteht nicht aus Nanoblättern, sondern aus Nanostäbchen-Morphologie, die aus vielen Nanostäbchen aufgebaut ist, wie in Abb. 3c gezeigt. Für die Bi₅ O₇ Bei Nanostäbchen liegt die Länge im Bereich von 100~300 nm und der durchschnittliche Durchmesser beträgt etwa 80 nm. Es ist deutlich zu erkennen, dass SrTiO₃ Partikel haften fest an der Oberfläche von Bi₅ O₇ I Nanostäbchen, und es wird angenommen, dass es für die photokatalytische Leistung günstig ist. Darüber hinaus wurde EDS weiter verwendet, um die chemische Zusammensetzung von 30 Gew.-% SrTiO₃ . zu analysieren /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit. Wie in Fig. 3d gezeigt, kann das beobachtete C-Signal von dem leitfähigen Klebstoff abgeleitet werden, der zum Fixieren der Probe verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass EDS zur quantitativen Bestimmung des Gehalts an schweren Elementen (z. B. Bi, Ti, I und Sr) geeignet ist, jedoch nicht für die leichten Elemente (z. B. P und O) [34]. Das Atomverhältnis von Bi zu I wird als 11/63 aus dem EDS-Spektrum erhalten, was gut mit dem Bi/I-Atomverhältnis von Bi₅ . übereinstimmt O₇ Ich Phase. Das Atomverhältnis von Sr/Bi liegt sehr nahe bei 1/12,5, was bedeutet, dass SrTiO₃ Phase macht etwa 30 % des gesamten molaren Gehalts des Komposits aus.

REM-Bilder von a reines SrTiO₃ , b reines Bi₅ O₇ Ich, c 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ ich Nanokomposit und d EDS-Spektrum von 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit

Analyse optischer Eigenschaften

Die UV-vis-DRS-Spektren der verschiedenen Katalysatoren sind in Abb. 4a dargestellt. Das reine SrTiO₃ weist eine Absorptionsbandkante bei 380 nm im UV-Bereich auf, was auf die Energie der großen Bandlücke zurückzuführen sein könnte [35, 36]. Die Bi₅ O₇ I zeigt eine viel längere Absorptionskante von 520 nm, die auf sichtbares Licht reagieren kann. Die Absorptionskante des SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite sind 480 bis 520 nm groß. Im Vergleich zu reinem SrTiO₃ , nach Kopplung mit Bi₅ O₇ I Nanoblätter, die Absorptionsspitzenintensität von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposite deutlich verbessert.

a DRS-Spektren von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposite und b der Tauc-Plot von (Ahν) ^1/2 gegen hν das reine Bi₅ O₇ I und 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit, der Tauc-Plot von (Ahν) ² gegenüber hν dem reinen SrTiO₃ eingefügtes Bild von b

Basierend auf den Absorptionsspektren ist das E _g des Halbleiters berechnet werden aus Aһν = A (һν − E _g ) ^{n /2} Gleichung [37]. Die Werte von n für SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich bin 4 bzw. 1. Die Bandlückenenergie von SrTiO₃ kann anhand des Diagramms (Aһν) ² . geschätzt werden gegen die Ploton-Energie (һν) und die Bandlückenenergie des Bi₅ O₇ Ich kann anhand des Diagramms (Aһν) ^1/2 . geschätzt werden gegen . Der Schnittpunkt der Tangente an das X Die Achse gibt eine Annäherung an die Bandlückenenergie der Proben an, wie in Fig. 4b dargestellt. Die Werte der Bandlückenenergie von reinem Bi₅ O₇ I, 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit und reines SrTiO₃ liegen bei etwa 2,31, 2,38 bzw. 3,2 eV, was mit den in der einschlägigen Literatur angegebenen Werten übereinstimmt [38, 39].

FTIR-Spektroskopieanalyse

Die Bi₅ O₇ I und SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite wurden weiter mit FTIR-Spektroskopie charakterisiert, um ihre chemische Bindung zu analysieren. Wie in Abb. 5 gezeigt. Es ist zu sehen, dass in fast allen Proben die Adsorptionsbanden von 3445,5 und 1621,9 cm ⁻¹ waren auf die OH-Streckschwingung und Deformationsschwingung von chemisorbierten Wassermolekülen zurückzuführen [40]. Die Bande bei 2906,5 cm ⁻¹ wird der Ti-O-Streckschwingung zugeschrieben [41]. Die anderen Peaks im Bereich von 1471,6–500 cm ⁻¹ entsprechen den Streck- und Deformationsmodi, die an Bi-O-Bindungen beteiligt sind [42].

FTIR-Spektren des reinen Bi₅ O₇ I und SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite

Photokatalytische Aktivität

Als Bi₅ O₇ I und SrTiO₃ haben eine sehr ausgeprägte Photoabsorption und SrTiO₃ reagiert hauptsächlich auf UV-Licht, simuliertes Sonnenlicht und UV-Licht unter den gleichen Bedingungen werden separat als Lichtquelle verwendet, um die photokatalytische Leistung von Bi₅ . zu untersuchen O₇ Ich, SrTiO₃ , und SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite. Abbildung 6a zeigt die Abbaukurven von RhB unter simulierter Sonneneinstrahlung. Es wird beobachtet, dass RhB stabil ist und sich ohne den Katalysator unter simulierter Sonneneinstrahlung für 150 Minuten kaum zersetzt. Das reine SrTiO₃ zeigt eine mäßige katalytische Aktivität, und nach einer Bestrahlung von 150 Minuten wurde nur eine RhB-Reduktion von 18 % erreicht. Dies wird auf die geringe Lichtabsorption von SrTiO₃ . zurückgeführt im Bereich des sichtbaren Lichts oder seiner großen Bandlückenenergien. Reines Bi₅ O₇ I zeigt eine sehr ausgeprägte Aktivität, die in 150 Minuten über 52 % des RhB abbaut. Im Vergleich zu reinem SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich, das SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite zeigen unter den gleichen Bedingungen eine deutlich erhöhte photokatalytische Aktivität. Mit dem Anstieg von SrTiO₃ Gehalt von 10 bis 40 % erhöht sich die photokatalytische Aktivität der Komposite zuerst und nimmt dann ab, und die höchste photokatalytische Aktivität wird bei 30 Gew.-% SrTiO₃ . beobachtet /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit. Bei diesem optimalen Komposit erreicht der Farbstoffabbau unter simulierter Sonneneinstrahlung für 150 Minuten etwa 89,6 %. Eine so hohe Aktivität kann den photogenerierten Elektronen zugeschrieben werden, die eine schnellere Mobilität und Trennung aufweisen.

a Photokatalytischer Abbau der RhB-Lösung für alle Proben unter simulierter Sonneneinstrahlung. b Diagramme von -ln(C_t /C₀ ) vs. Zeit für alle Proben. c Photokatalytischer Abbau der RhB-Lösung für alle Proben unter UV-Licht. d Zyklische Abbaueffizienz von RhB gegenüber SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite

Um die Reaktionskinetik des photokatalytischen RhB-Abbaus für verschiedene Photokatalysatoren besser zu verstehen, wurde die photokatalytische Abbaueffizienz mit der folgenden Gleichung berechnet:ln(C ₀ /C _t ) = K _App t , wobei C ₀ , C _t , und K _App sind repräsentativ für die Anfangskonzentration, die Konzentration zum Zeitpunkt t bzw. die scheinbare Geschwindigkeitskonstante pseudo-erster Ordnung [43]. Das -ln(C_t /C₀ ) weist eine gut lineare Beziehung zur Bestrahlungszeit auf und die photokatalytische Reaktion gehört zur Reaktion pseudoerster Ordnung, wie in Abb. 6b gezeigt. Die k _App Werte für Bi₅ . erhalten O₇ Ich, SrTiO₃ , 10 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I, 20 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I, 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I und 40 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite sind 1,16 × 10 ⁻³ , 4,88 × 10 ⁻³ , 9 × 10 ⁻³ , 1,06 × 10 ⁻² , 1,45 × 10 ⁻² , und 9,24 × 10 ⁻³ min ⁻¹ , bzw. Auffällig ist, dass die 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposit weist die maximale photokatalytische Reaktionsgeschwindigkeitskonstante auf, die etwa 2,97-mal höher ist als die von bloßem Bi₅ O₇ I und 12,5-mal höher als bei reinem SrTiO₃ .

Die RhB-Abbaukurven über alle Proben unter UV-Licht-Bestrahlung sind weiter in Abb. 6c dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Phänomen dem in Abb. 6a ähnelt. Alle Proben weisen jedoch aufgrund der geringen Absorption von UV-Licht eine sehr geringe photokatalytische Effizienz auf, und die Farbstoffsensibilisierung hat einen Einfluss auf die photokatalytische Aktivität. Wie in Abb. 6a gezeigt, sind die 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanocomposite zeigt immer noch die beste Aktivität; der Photoabbau von RhB beträgt jedoch innerhalb von 150 Minuten nur 40 %. Diese Ergebnisse zeigen, dass das SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite besitzen eine effizientere photokatalytische Aktivität unter simulierter Sonneneinstrahlung.

Stabilität und Wiederverwendbarkeit von 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit wurde durch Wiederholung der Tests zum RhB-Abbau durchgeführt. Nach jedem Zyklus wird das SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite wurden im nächsten Zyklus wiederverwendet, bevor sie durch Zentrifugation gesammelt, mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethylalkohol gewaschen und schließlich 3 h bei 80 °C getrocknet wurden. Wie in Abb. 6d gezeigt, nimmt die photokatalytische Aktivität des Verbundwerkstoffs selbst nach dem fünften Recycling unter simulierter Sonneneinstrahlung nicht offensichtlich ab, was auf eine gute Stabilität für das Recycling der 30 Gew.-% SrTiO₃ . hindeutet /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit.

Diskussion über den photokatalytischen Mechanismus

Um einen Einblick in die aktiven Spezies zu erhalten, die am Photoabbau von SrTiO₃ . beteiligt sind, /Bi₅ O₇ In Nanokompositen haben wir Experimente zum Einfangen von reaktiven Spezies über dem 30 Gew.-% SrTiO₃ . durchgeführt /Bi₅ O₇ I Nanokomposit zur Bestimmung der wichtigsten aktiven Spezies in der photokatalytischen Reaktion. Wie in Abb. 7 gezeigt, hat die Zugabe von Isopropanol (IPA) fast keinen Einfluss auf den RhB-Abbau gegenüber dem SrTiO₃ . /Bi₅ O₇ I Nanokomposite, was darauf hinweist, dass keine •OH-Radikale erzeugt werden. Im Gegensatz dazu wird nach Zugabe von Benzochinon (BQ) oder Ethylendiamintetraessigsäure-Dinatriumsalz (EDTA-2Na) eine signifikante Abnahme des Farbstoffabbaus beobachtet, was impliziert, dass \(\bullet{\mathrm{O}}_2^{- } \) und Löcher sind die primären reaktiven Substanzen für den Photoabbau von RhB.

Die Abbaueffizienzkonstante von RhB über den 30 Gew.-% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit in Gegenwart verschiedener Aasfresser

Um die Ladungstrennung der so hergestellten Photokatalysatoren zu untersuchen, wurde die PL-Spektroskopie weiter eingeführt. Abbildung 8 zeigt den Vergleich der PL-Spektren zwischen Bi₅ O₇ I und 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit unter der Anregung bei 320 nm. Die PL-Spektren beider Proben sind durch einen Peak bei 497 nm gekennzeichnet, der der Emission der Bandlücken-Übergangsenergie von Bi₅ . zugeschrieben wird O₇ I. Die Intensität von 30 Gew.-% SrTiO₃ . nimmt jedoch stark ab /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit. Dieses Phänomen zeigt eine effiziente Trennung der photogenerierten Ladungsträger innerhalb des Komposits zwischen SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich.

PL-Spektren von reinem Bi₅ O₇ I Nanoblätter und 30 Gew. % SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposit

Um den Mechanismus der erhöhten photokatalytischen Aktivität von SrTiO₃ . besser zu verstehen /Bi₅ O₇ I Nanokomposite unter simulierter Sonneneinstrahlung, die entsprechenden CB- und VB-Positionen für SrTiO₃ und Bi₅ O₇ I berechnet sich theoretisch nach \({E}_{VB}=\chi -{E}_0+\frac{1}{2}{E}_g\) und E _CB = E _VB − E _g , wobei E _VB ist das VB-Potential, E _CB ist das CB-Potential, E ₀ ist die Energie der freien Elektronen auf der Wasserstoffskala (ca. 4,5 eV), E _g die Bandlückenenergie ist und χ als geometrisches Mittel der Mulliken-Elektronegativitäten der Komponenten im Halbleiter berechnet wird [44]. Daher ist das E _VB und E _CB von Bi₅ O₇ Ich wurde mit 2,92 und 0,56 eV berechnet, während die Energien von SrTiO₃ betrugen etwa 2,03 bzw. − 1,15 eV. Diese beiden Halbleiter haben geeignete Bandpotentiale und können somit eine Verbundstruktur aufbauen.

Gemäß den obigen Ergebnissen ist eine schematische Darstellung der Energiebänder, die zwischen SrTiO₃ und Bi₅ O₇ I und mögliche Wege der Ladungsübertragung sind in Abb. 9 dargestellt. Sowohl SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich werde unter simuliertem Sonnenlicht (UV-Licht) angeregt und die Elektronen in der VB von beiden SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich würde mich auf die CB freuen, die Löcher blieben in ihrer VB. Als CB-Potential von SrTiO₃ (− 1,15 eV) ist negativer als der von Bi₅ O₇ I (+ 0.56 eV), die Elektronen von SrTiO₃ werden leicht in das CB von Bi₅ . injiziert O₇ I. Die photogenerierten Elektronen könnten mit O₂ . reagieren aktive Sauerstoffspezies Superoxidradikal (\(\bullet{\mathrm{O}}_2^{-}\)) zu produzieren, das dann den RhB-Abbau induziert [45]. Andererseits sind die Löcher in der VB von Bi₅ O₇ Ich migriere zum VB von SrTiO₃ , was zu einer effektiven Trennung der photoinduzierten Elektronen und Löcher führt. Auf diese Weise werden die photogenerierten Elektronen und Löcher effektiv im SrTiO₃ . getrennt /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite. Die VB von SrTiO₃ ist 2,23 eV, niedriger als das Redoxpotential von •OH/H₂ O (+ 2,27 eV). Entsprechend den einschlägigen Berichten [46, 47] ist die VB von SrTiO₃ reicht nicht aus, um H₂ . zu oxidieren O in •OH. Es zeigt, dass \( ​​\bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) und Löcher die wichtigsten sauerstoffaktiven Spezies für SrTiO₃ . sind /Bi₅ O₇ I Nanokomposite in der RhB-Entfärbung, unter simulierter Sonneneinstrahlung. Daher ist das synthetisierte SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit-Photokatalysator zeigt eine viel höhere photokatalytische Leistung als SrTiO₃ und Bi₅ O₇ Ich.

Das schematische Energiebanddiagramm und ein möglicher photokatalytischer Prozess von SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das neuartige SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Nanokomposit-Photokatalysatoren wurden durch einen solvothermalen Ansatz in Verbindung mit thermischer Zersetzung entworfen und hergestellt. XRD-, XPS- und EDS-Messungen zeigen, dass die Produkte tatsächlich SrTiO₃ . sind /Bi₅ O₇ Ich Nanokomposite. Die UV-Vis-DRS-Analyse zeigt, dass das SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I-Nanokomposite haben eine gute Lichtabsorptionsleistung. The results of PL spectra show that the recombination of photoinduced electron-hole pairs is obviously inhibited in SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposites. The obtained nanocomposites show a good stability and a recycling capacity in the photocatalytic process. The as-synthesized SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I photocatalysts exhibit a highly efficient photocatalytic property for the degradation of RhB under simulated solar light irradiation, which is superior to that of SrTiO₃ and Bi₅ O₇ I. The outstanding photocatalytic activity of the photocatalysts is ascribed to the efficient separation and migration of photogenerated charge carriers. The \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) and holes are the main oxygen-active species causing the dye degradation. This work could provide insights into the design and development of other excellent photocatalytic materials for environmental and energy applications.

Abkürzungen

BQ:

Benzoquinone

CB:

Conduction band

DRS:

Diffuse reflectance spectra

EDS:

Energy-disperse X-ray spectroscopy

EDTA-2Na:

Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt

FE-SEM:

Field-emission scanning electron microscope

FTIR:

Fourier-transform infrared spectroscopy

IPA:

Isopropanol

PL:

Photoluminescence

RhB:

Rhodamine B

UV-vis:

Ultraviolet-visible

VB:

Valence band

XPS:

X-ray photoelectron spectroscopy

XRD:

Röntgenbeugung