Verbesserte photokatalytische Eigenschaften von Ag/BiPbO2Cl-Nanoblatt-Verbundwerkstoffen, die auf sichtbares Licht reagieren

Hintergrund

In den letzten Jahren ist die Umweltverschmutzung immer gravierender geworden. Um das Problem organischer Schadstoffe zu lösen, wurden photokatalytische Halbleitermaterialien aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile weit verbreitet [1,2,3,4]. ZnO, TiO₂ , und andere Halbleiter mit großer Bandlücke sind beim photokatalytischen Abbau organischer Schadstoffe beliebt [5,6,7,8]. Halbleiter mit großer Bandlücke können jedoch nur ultraviolettes Licht absorbieren, was die Anwendungsaussichten dieser Katalysatoren einschränkt. Daher ist es notwendig, nach photokatalytischen Materialien zu suchen, die auf sichtbares Licht reagieren [9, 10].

Auf Wismut basierende Halbleiter-Photokatalysatoren besitzen reichhaltige strukturelle Eigenschaften und geeignete Valenzbandpositionen, die die Anforderungen der Zersetzung organischer Stoffe erfüllen können [11, 12]. Darunter BiPbO₂ Cl gilt aufgrund seiner schmalen Bandlücke, dem eingebauten elektrischen Feld zwischen [BiPbO₂ . als lobenswert ]- und [Cl]-Platten und Hybridbandstruktur [13, 14]. Dennoch schränkt die schnelle Elektron-Loch-Rekombinationsrate ihre Anwendung im Bereich der Photokatalyse ein.

Es wurde berichtet, dass die Kombination photokatalytischer Halbleitermaterialien mit Edelmetallen oder Graphen deren photokatalytische Eigenschaften verbessern kann [15, 16]. Dies liegt daran, dass die Rekombinationsrate von durch Licht erzeugten Elektronen und Löchern nach der Compoundierung abnimmt. Edelmetalle wie Au, Ag und Pt wurden als Elektronenakzeptoren verwendet, um das durch Licht erzeugte Elektron und die Löcher zu trennen [17, 18].

In diesem Papier wird der Ag/BiPbO₂ Cl-Komposit-Photokatalysator wurde durch hydrothermale Methode und Photoreduktion synthetisiert, um die photokatalytischen Eigenschaften von BiPbO₂ . zu verbessern Cl-Nanoblätter. Das präparierte Ag/BiPbO₂ Cl-Nanoblatt-Komposite mit 0,5 Gew.-% Ag weisen eine günstige photokatalytische Aktivität auf, die 3,6-mal höher ist als die von BiPbO₂ Cl-Nanoblatt.

Methoden

Vorbereitung von Ag/BiPbO₂ Cl Nanoblatt-Verbundwerkstoffe

Das BiPbO₂ Cl-Nanoblätter wurden durch einstufige hydrothermale Methode hergestellt, wie wir sie zuvor verwendet haben [13]. Das Ag/BiPbO₂ Cl-Komposite wurden durch Photoreduktion synthetisiert. Das erhaltene BiPbO₂ Cl (1 mmol) wurde mit Hilfe von Magnetrührer in 20 ml entionisiertem Wasser dispergiert und dann eine geeignete Menge AgNO₃ wurde hinzugefügt. Anschließend wurde die Suspension mit einer 500-W-Xe-Lampe unter Rühren bei Raumtemperatur für 3 h bestrahlt, wobei Licht unter 420 nm mit einem Cut-Off-Filter abgeschnitten wurde. Die resultierenden Körnchen wurden mit entionisiertem Wasser gewaschen, um restliche organische Stoffe zu entfernen, und 2 h bei 80 °C an der Luft getrocknet. Um die Wirkung des Ag-Gehalts auf die photokatalytische Aktivität von BiPbO₂ . zu untersuchen Cl, die zugesetzten Gehalte an Ag wurden als 0,25, 0,5 und 0,75 Gew. % bezeichnet.

Photokatalytische Aktivitäten

Die photokatalytische Aktivität wurde in einem photochemischen Reaktionsinstrument der XPA-Serie durch eine 500-W-Xe-Lampe mit einem Cutoff-Filter von 420 nm charakterisiert. Zur Charakterisierung der photokatalytischen Aktivität von Proben wurde Methylorange (MO) als organischer Farbstoff verwendet. Während des photokatalytischen Leistungstests 50 mg Ag/BiPbO₂ Cl-Nanoblatt-Verbundpulver wurde in eine wässrige 50 ml MO-Lösung (10 mg/l) unter kontinuierlichem Rühren für 1 h im Dunkeln gegeben. Die Absorptionsspektren der Lösung wurden auf einem Shimadzu UV-2700-Spektrometer gesammelt.

Beispielcharakterisierung

Die Röntgenbeugungsmuster (XRD) des Pulvers wurden auf einem PANalytical X’Pert Pro Röntgendiffraktometer mit Cu Kα-Strahlung (1,54178 Å) gemessen. Die Oberflächenmorphologie wurde am Rasterelektronenmikroskop (REM, Hitachi S-4800) erhalten. Die Morphologie des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) wurde auf einem JEOL JEM-2011 TEM gemessen. Die UV-vis diffusen Reflexionsspektren wurden auf Shimadzu UV-2450 gemessen. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde auf einem Pekin Elmer PHI-5300 XPS gemessen. Die Photolumineszenz(PL)-Emissionsspektren wurden auf einem Shimadzu RF-5301 mit einer Anregungswellenlänge von 320 nm gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Photokatalytische Aktivität des BiPbO₂ Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Komposite wurden mit dem Abbau von MO unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht (> 420 nm) bewertet. Die Konzentration der MO-Flüssigkeit wird durch die relative Absorptionsstärke bei 464 nm charakterisiert. Abbildung 1a zeigt die photokatalytische Aktivität von BiPbO₂ . mit sichtbarem Licht Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. Vor dem Abbau wurde die den Photokatalysator enthaltende MO-Lösung 1 h in der dunklen Umgebung gerührt, um ein Adsorptionsgleichgewicht zu erreichen. Aus Abb. 1a kann geschlossen werden, dass die photokatalytische Effizienz des BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe nehmen mit zunehmendem Ag-Gehalt zu und erreichen ein Maximum, wenn der Ag-Gehalt 0,5 Gew. % beträgt. Dies kann auf die Absorption photogenerierter Elektronen durch Ag zurückzuführen sein, was zu einer Abnahme der photogenerierten Elektron-Loch-Rekombinationsrate führt, wodurch seine photokatalytische Aktivität erhöht wird. Wenn der Ag-Gehalt weiter ansteigt, nimmt seine photokatalytische Effizienz ab. Wenn der Gehalt an Ag weiter ansteigt, wird der Gehalt an BiPbO₂ Cl nimmt entsprechend ab, was zu einer Abnahme der Zahl der photogenerierten Träger und damit der photokatalytischen Aktivität führt. Abbildung 1b zeigt die photokatalytische Reaktionskinetik von BiPbO₂ Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. Aus Abb. 1b können wir entnehmen, dass die MO-Abbaurate über Ag/BiPbO₂ Cl-Kompositen (0,0158 min ⁻¹ ) ist etwa 3,6-mal höher als das von BiPbO₂ Cl (0,0044 min ⁻¹ ).

a Photokatalytischer Abbau von MO mit BiPbO₂ Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. b Kinetik der MO-Entfärbung in Lösungen

Um die Morphologie und Mikrostruktur zu untersuchen, wurden SEM, TEM und XRD für die Untersuchung von BiPbO₂ . verwendet Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. Aus Abb. 2a kann man sehen, dass BiPbO₂ Cl wird als Nanoblätter mit einer Dicke von etwa 12 nm dargestellt. Abbildung 2b zeigt die SEM-Morphologie von 0,5 Gew.-% Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe; die Silbernanopartikel sind zufällig auf der Oberfläche des Nanoblatts BiPbO₂ . verteilt Kl. Der Durchmesser der Ag-Partikel beträgt etwa 10 nm. Die HRTEM-Bilder (Abb. 2c) zeigen auch die Existenz von Ag. Die Existenz von Ag wird weiter durch XPS belegt. Abbildung 2d zeigt die XRD von BiPbO₂ Cl und 0,5 Gew. % Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. Verglichen mit dem XRD-Muster des BiPbO₂ Cl, das Muster von Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundwerkstoffe weisen keine offensichtlichen Veränderungen auf, die sich aus dem geringen Ag-Gehalt ergeben können. Die Zusammensetzungsanalyse wird durch EDS gemessen (Abb. 3). In der Probe werden Bi-, Pb-, O-, Cl- und Ag-Elemente beobachtet. Darüber hinaus zeigen die EDS-Elementarabbildungen, dass das Ag-Element gleichmäßig über Ag/BiPbO₂ . verteilt ist Cl-Verbundstoffe.

Das SEM von BiPbO₂ Cl (a ) und 0,5 Gew. % Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe (b ). c Hochauflösendes TEM-Bild von 0,5 Gew.-% Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. d XRD von Proben

EDS-Mapping des Elements von Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe

Um den chemischen Oberflächenzustand der Probe zu untersuchen, wurde die XPS-Analyse zur Untersuchung von Ag/BiPbO₂ . verwendet Cl-Verbundstoffe. Wie in Abb. 4a gezeigt, konnte das Vorhandensein von Bi, Pb, O, Cl und Ag im XPS-Spektrum beobachtet werden. Wie in Fig. 4b gezeigt, sind die Peaks von Bi 4f_7/2 und Bi 4f_5/2 liegen bei 159,1 bzw. 164,5 eV, was mit der Charakteristik von Bi ³⁺ . übereinstimmt [19, 20]. Die Spitzen von Pb 4f_7/2 und Pb 4f_5/2 liegen bei 137,9 und 142,8 eV (Abb. 4c), was mit der Charakteristik von Pb ²⁺ . übereinstimmt [21]. Der Peak von O 1s liegt bei 529,8 eV, was zu O ²⁻ . gehört aus der Bi-O-Bindung (Abb. 4d). Wie in Abb. 4e dargestellt, liegen zwei Peaks von Cl 2p bei 197,8 und 199,4 eV, was mit der Charakteristik von Cl ¹⁻ . übereinstimmt [22]. Wie in Abb. 4f gezeigt, werden zwei Peaks von 368,1 und 374,3 eV beobachtet, die Ag 3d_3/2 . entsprechen und Ag 3d_5/2 , bzw. Nach den Ergebnissen von Zhang et al. [23] können die Peaks bei 368,6 und 374,6 eV Ag ⁰ . zugeschrieben werden .

Die XPS-Spektren von Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe. a Umfrage, b Bi 4f, c Pb 4f, d O 1s, e Kl 2p und f Ag 3d

Verglichen mit dem gelben BiPbO₂ Cl-Nanoblätter, die Farbe von Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe werden mit zunehmendem Ag-Gehalt dunkler. Die UV-Vis-Absorptionsspektren von BiPbO₂ Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe sind in Abb. 5a gezeigt. Die starke Absorption unterhalb einer Wellenlänge von 600 nm hängt mit der optischen Bandlücke von BiPbO₂ . zusammen Kl. Nach dem Laden von Ag auf die Oberfläche von BiPbO₂ Cl, die Absorption im Bereich von 450–800 nm ist höher als die von reinem BiPbO₂ Cl, das auf die Absorptionscharakteristik von Oberflächenplasmonen zurückzuführen ist, die durch die Zusammensetzung von Ag und BiPbO₂ . verursacht wird Kl. [24]. Als Ergebnis, nach der Beladung der Oberfläche von BiPbO₂ . mit Ag Cl, der Reaktionsbereich von BiPbO₂ . auf sichtbares Licht Cl wird erhöht. Die aus Fig. 5a berechnete Bandlücke ist in Fig. 5b gezeigt. Nach der Compoundierung mit Ag ist die Bandlücke von BiPbO₂ Cl sinkt von 2,05 auf 1,68 eV. Darüber hinaus sind die Photolumineszenz-Emissionsspektren von BiPbO₂ Cl und Ag/BiPbO₂ Cl-Komposite werden ausgeführt, um die Rekombinationsrate von durch Licht erzeugten Elektronen und Löchern widerzuspiegeln. Wie in Abb. 5c gezeigt, nimmt die PL-Intensität nach der Beladung der Oberfläche von BiPbO₂ . mit Ag drastisch ab Cl, das dem schnellen Transfer photogenerierter Elektronen von BiPbO₂ . zugeschrieben wird Cl zu Ag, was zu einer Verringerung der Rekombinationsrate von durch Licht erzeugten Elektronen und Löchern führt [25].

Die UV-Vis-Absorptionsspektren (a ) und Photolumineszenz-Emissionsspektren (b ) von BiPbO₂ Cl und 0,5 Gew. % Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe (c )

Das Prinzip der hohen photokatalytischen Aktivität für Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe ist wie folgt. Zunächst wird der Ansprechbereich des sichtbaren Lichts durch die Zusammensetzung von Ag und BiPbO₂ . erhöht Kl. Zweitens die Beladung von Ag auf der Oberfläche von BiPbO₂ Cl könnte das innere elektromagnetische Feld erzeugen. Wenn das BiPbO₂ Die Cl-Halbleiteroberfläche ist in Kontakt mit Ag, eine Umverteilung der Ladungsträger wird realisiert. Da das Fermi-Niveau von Ag niedriger ist als das von BiPbO₂ Cl [26], der photoangeregte Elektronentransfer vom BiPbO₂ Cl- zu Ag-Partikeln, bis ihr Fermi-Niveau gleich ist, wodurch das eingebaute Feld gebildet wird, wie in Abb. 6b gezeigt. Das durch Licht erzeugte Elektron wird schnell von BiPbO₂ . übertragen Cl zu Ag mit Hilfe des inneren elektromagnetischen Feldes und der ausgezeichneten Leitfähigkeit von Ag. Drittens, wie in Fig. 6a gezeigt, werden die von BiPbO₂ . erzeugten Elektronen Cl reduziert das molekulare O₂ um die O₂ . zu bilden • aktive Spezies [27]. Auf der anderen Seite neigen die durch Licht erzeugten Löcher dazu, auf der Oberfläche von BiPbO₂ . zu verbleiben Kl. Und dann verwandeln diese Löcher die Wassermoleküle auf der Oberfläche von BiPbO₂ Cl in OH•-aktive Spezies. Unter der Wirkung dieser aktiven Spezies von O₂ • und OH•, die MO-Moleküle werden in CO₂ . zerlegt und H₂ O. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Beladung der Oberfläche von BiPbO₂ . mit Ag Cl könnte eine hohe photokatalytische Aktivität im sichtbaren Licht erzeugen.

a Mechanistische Darstellung von Ag/BiPbO₂ Cl-Komposite für photokatalytische Aktivität. b Bandstruktur an der Grenzfläche von Ag und BiPbO₂ Kl. Die verwendeten Daten für BiPbO₂ Cl sind aus Referenz [26]

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hocheffizientes Ag/BiPbO₂ Cl-Komposite wurden durch hydrothermale Synthese und Photoreduktion hergestellt. Die erhaltenen 0,5 Gew. % Ag/BiPbO₂ Cl-Nanoblatt-Verbundmaterial hat eine bessere photokatalytische Aktivität, die 3,6-mal höher ist als die von BiPbO₂ Cl-Nanoblätter. Nach BiPbO₂ Cl-Nanoblätter und Ag werden zusammengesetzt, der Ansprechbereich für sichtbares Licht nimmt zu und die Elektron-Loch-Rekombinationsrate ab, wodurch die photokatalytischen Eigenschaften des sichtbaren Lichts verbessert werden. Die ausgezeichnete photokatalytische Eigenschaft von Ag/BiPbO₂ Cl-Verbundstoffe werden dem inneren elektromagnetischen Feld, dem höheren Ansprechbereich für sichtbares Licht, der ausgezeichneten Leitfähigkeit und dem niedrigeren Fermi-Niveau von Ag zugeschrieben.

Abkürzungen

DRS:

Diffuse Reflexionsspektroskopie

MO:

Methylorange

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

XRD:

Röntgenbeugung