Flexibles photokatalytisches Papier mit Cu2O- und Ag-Nanopartikel-dekorierten ZnO-Nanostäbchen für den Photoabbau von organischem Farbstoff mit sichtbarem Licht

Zusammenfassung

Wir berichten über die Herstellung von flexiblem photokatalytischem Papier aus Cu₂ O- und Ag-Nanopartikel (NP)-dekorierte ZnO-Nanostäbchen (NRs) und ihre Anwendung beim Photoabbau organischer Farbstoffe durch sichtbares Licht. ZnO-NRs werden zuerst auf einem Kraftpapiersubstrat unter Verwendung eines hydrothermalen Verfahrens gezüchtet. Anschließend werden die NRs mit Cu₂ . dekoriert O, Ag oder beide NPs, die durch Photoreduktionsprozesse gebildet wurden. Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugungsanalyse bestätigen die Kristallinität von ZnO-NRs. Transmissionselektronenmikroskopische Analyse bestätigt die Zusammensetzungen der beiden Arten von NPs. Vier verschiedene Arten von photokatalytischen Papieren mit einer Größe von 10 × 10 cm² werden hergestellt und zum Abbau einer 10-μM- und 100-ml-Rhodamin-B-Lösung verwendet. Das Papier mit Cu₂ O- und Ag-NP-co-dekorierte ZnO-NRs haben die beste Effizienz mit kinetischen Konstanten erster Ordnung von 0,017 und 0,041 min⁻¹ unter der Beleuchtung einer Halogenlampe bzw. direktem Sonnenlicht. Die Leistung des photokatalytischen Papiers ist vergleichbar mit anderen substratgestützten ZnO-Nanokomposit-Photokatalysatoren. Mit den Vorteilen der Flexibilität, des geringen Gewichts, der Ungiftigkeit, der geringen Kosten und der einfachen Herstellung hat das photokatalytische Papier ein gutes Potenzial für die Photokatalyse mit sichtbarem Licht.

Einführung

Metalloxid-Nanomaterialien haben in den letzten zwei Jahrzehnten wegen ihrer weit verbreiteten Anwendungen in Photonik, Elektronik, Energie, Sensorik, Umweltschutz usw. umfangreiches Forschungsinteresse erhalten [1,2,3,4,5,6]. Unter ihnen gab es aufgrund der Leichtigkeit des Wachstums und der Morphologiekontrolle besonders viele Berichte über ZnO-Nanomaterialien [1, 2]. Eine potenziell wichtige Anwendung ist die Photokatalyse mit substratgestützten ZnO-Nanostäbchen (NRs) zum photochemischen Abbau organischer Farbstoffe [2, 7, 8]. ZnO-NRs bieten die Vorteile geeigneter Energiebandpositionen, nicht toxischer Natur, einfaches Wachstum, niedrige Kosten usw. Die Verwendung von substratgestützten Nanomaterialien vermeidet auch einen Trennprozess nach dem Farbstoffabbau im Vergleich zur Verwendung von dispergierten Nanomaterialien.

Der organische Farbstoffabbau beruht auf der starken Oxidationskraft von Hydroxylradikalen, und die Bildung von Hydroxylradikalen basiert auf den folgenden Gleichungen [7, 8]:

$$ {\mathrm{OH}}^{-}+{h}^{+}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}\mathrm{H} $$ (1) $$ {\mathrm {H}}_2\mathrm{O}+{h}^{+}\to {\mathrm{H}}^{+}+{}^{\bullet}\mathrm{O}\mathrm{H} $ $ (2) $$ {\mathrm{O}}_2+{e}^{-}\to {\mathrm{O}}_2^{\bullet -} $$ (3) $$ {\mathrm{O} }_2^{\bullet -}+{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}\mathrm{O}}_2^{\bullet} $$ (4) $$ {\mathrm {O}}_2^{\bullet -}+{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{H}\mathrm{O}}_2^{\bullet}\to {\mathrm{H} }_2{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}_2 $$ (5) $$ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+{e}^{-}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-} $$ (6)

Da ZnO ein Halbleiter mit großer Bandlücke ist, besteht ein häufig angewandter Ansatz darin, die NRs mit Halbleiter-Nanopartikeln (NPs) mit schmaler Bandlücke zu dekorieren, um die Lichtabsorption in den sichtbaren Bereich zu erweitern. Wegen der starken Absorption von sichtbarem Licht, die durch den plasmonischen Effekt verursacht wird, wurden auch Edelmetall-NPs für den gleichen Zweck verwendet [9]. Ein weiteres wichtiges Anliegen ist, dass die Rekombination photogenerierter Elektron-Loch-Paare einen hohen ZnO-Gehalt aufweist und die Unterdrückung der Rekombination für die Photokatalyse entscheidend ist [7]. Die NR- und NP-Heteroübergangsgrenzfläche erleichtert die Ladungstrennung und verbessert somit die Photokatalyse. Berichte über ZnO-NRs, die mit verschiedenen Arten von NPs dekoriert sind (oder alternativ als Nanokomposit bezeichnet werden), wie z. B. ZnSe [10], Ag₂ S [11], CdS [11,12,13], CuO [14], Cu₂ O [15, 16], ZnFe₂ O₄ [17], Ag [16, 18, 19] und Au [12, 20] sind in der Literatur reichlich vorhanden.

Für die Photokatalyse mit sichtbarem Licht scheint es sinnvoll, die ZnO-NRs mit den oben genannten NPs in großen Mengen zu dekorieren, um eine hohe Effizienz zu erzielen. Eine übermäßige Dekoration von Halbleitern mit schmalem Bandabstand oder Edelmetall-NPs hat jedoch aus den folgenden Gründen nachteilige Auswirkungen. Erstens haben Löcher in einem Halbleiter mit schmaler Bandlücke normalerweise nicht genügend Energie, um Hydroxidionen (siehe Gleichung (1)) oder Wassermoleküle (siehe Gleichung (2)) zu Hydroxylradikalen zu oxidieren. (Reduktionspotentiale chemischer Reaktionen zur Bildung von Hydroxylradikalen werden später erwähnt.) Zweitens erzeugt die durch einen plasmonischen Effekt induzierte sichtbare Absorption eines Edelmetall-NP nur hochenergetische Elektronen, aber keine Löcher. Die Erzeugung von Hydroxylradikalen durch Elektronen erfordert eine Abfolge chemischer Reaktionen (siehe Gl. (3) bis Gl. (6)) und ist nicht so effizient wie Löcher. Drittens treten Defekte in ZnO-NRs häufig auf [21] und die Defekte sind in der Lage, sichtbares Licht zu absorbieren [22]. Die photogenerierten Löcher aufgrund von Defektabsorption in ZnO haben genügend Energie, um Hydroxylradikale zu erzeugen.

Daher scheint die gleichzeitige Dekoration mit Halbleitern mit schmaler Bandlücke und Edelmetall-NPs ein rationaler Ansatz zu sein, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Bisher wurden nur wenige Arbeiten beschrieben, und tatsächlich wurde eine höhere Photodegradation-Effizienz im Vergleich zur Einzeldekoration erreicht [12, 16]. Als Vorteile der simultanen Dekoration werden eine verbesserte Absorption des sichtbaren Lichts der Halbleiter-NPs und ein schnellerer Elektronentransfer im ternären Nanokomposit angeführt, die beide auf den plasmonischen Effekt von Edelmetall-NPs zurückgeführt werden [12].

Für praktische Anwendungen ist es wünschenswert, ZnO-NRs auf flexiblen Substraten zu züchten. Das Wachstum von ZnO-NRs auf Kunststoffsubstraten ist gut untersucht [23, 24]. In den letzten Jahren hat das Wachstum von ZnO-NRs auf Papiersubstraten die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen [25,26,27,28,29], da das Papier flexibel, leicht, kostengünstig, umweltfreundlich und einfach zu handhaben ist. Berichte über das Wachstum von NP-dekorierten ZnO-NRs auf Papiersubstraten sind jedoch selten. Darüber hinaus beziehen sich früher berichtete Arbeiten zu auf Papiersubstraten gewachsenen ZnO-NRs hauptsächlich auf Elektronik und Sensorik [25,26,27,28] und nur sehr wenige auf Photokatalyse [29]. In der vorliegenden Arbeit berichten wir über das Lösungswachstum von Cu₂ O- und Ag-NP-dekorierte ZnO-NRs auf Papier. Die gute photokatalytische Leistung des photokatalytischen Papiers wird durch den Abbau einer Rhodamin B (RhB)-Lösung nachgewiesen.

Methoden

Wachstum von ZnO-NRs auf Papier

ZnO-NRs wurden auf einem Kraftpapiersubstrat unter Verwendung der Hydrothermalmethode gezüchtet [1, 2, 7]. Zuerst wurde eine ZnO-Keimlösung unter Verwendung einer gemischten Lösung aus 10 mM Zinkacetat und 3 mM Natriumhydroxid (beide in Ethanol und Volumenverhältnis 1:2) hergestellt, die 3 h auf 72 °C erhitzt wurde. Zweitens wurde die Saatlösung auf eine 10 × 10 cm² . gegossen Kraftpapiersubstrat, das auf 90°C erhitzt wurde, um eine ZnO-Keimschicht zu bilden. Drittens wurde das Papiersubstrat mit der ZnO-Keimschicht in eine Lösung aus 25 mM Zinknitrat und 25 mM Hexamethylentetramin (HMTA, C₆ H₁₂ N₄ ) (beide in entionisiertem Wasser und Volumenverhältnis 1:1) und in einem geschlossenen Behälter 7 Stunden lang auf 95 °C erhitzt. Das Papiersubstrat wurde aus der Lösung entfernt, mehrmals mit entionisiertem Wasser gespült und mit Stickstoffgas getrocknet.

Dekoration von Cu₂ O- und Ag-NPs auf ZnO-NRs

Zur Oberflächendekoration mit Cu₂ O NPs wurde ein NR-Papiersubstrat in 0,1 mM CuSO₄ . getaucht Lösung und einer ultravioletten (UV) Bestrahlung von drei 1-W- und 254-nm-Lampen für 1,5 h bei 60°C ausgesetzt. Für die Oberflächendekoration mit Ag-NPs wurde ein NR-Papiersubstrat in ein 50-mM-AgNO₃ . getaucht Lösung und einer UV-Bestrahlung für 1 min ausgesetzt. Die Kreationen von Cu₂ O- und Ag-NPs basieren auf den folgenden chemischen Reaktionen:

$$ \mathrm{ZnO}+ h\nu \to \mathrm{ZnO}+{h}^{+}+{e}^{-} $$ (7) $$ {\mathrm{Cu}}^{ 2+}+2{e}^{-}\to \mathrm{Cu} $$ (8) $$ {\mathrm{Cu}}^{2+}+\mathrm{Cu}+{\mathrm{H }}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O}+2{\mathrm{H}}^{+} $$ (9) $$ {\mathrm{Ag}} ^{+}+{e}^{-}\to \mathrm{Ag} $$ (10) $$ 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{h}^{+}\ zu 4{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{O}}_2 $$ (11)

Nach der Oberflächendekoration wurde das Papiersubstrat mehrmals mit entionisiertem Wasser gespült und unter Stickstoffgas getrocknet. Zur Dekoration mit beiden Arten von NPs, dem Cu₂ Zuerst wurde die O-Dekoration und dann die Ag-Dekoration realisiert. Vier verschiedene Arten von photokatalytischen Papieren wurden hergestellt und als ZnO, Cu₂ . bezeichnet O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO.

Photokatalytische Messung

Die photokatalytische Aktivität wurde durch Abbau einer 100-mL, 10-μM (~ 4,8 ppm) RhB-Lösung unter der Beleuchtung einer 300-W-Halogenlampe bewertet. Das verwendete photokatalytische Papier wurde zunächst 1 h im Dunkeln in eine RhB-Lösung getaucht, und eine neue Lösung wurde zum Photoabbau verwendet. Ein kleiner Motor wurde verwendet, um die Lösung zu rühren. Während des Photoabbaus wurde alle 10 min ein Tropfen von 50 µl entnommen. Absorptionsspektren der zu verschiedenen Zeiten gesammelten Tropfen wurden unter Verwendung eines optischen Mikroskops gemessen, das mit einem faserverbundenen Si-Photodiodenarray-Spektrometer ausgestattet war.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt Fotos eines 10 × 10 cm² Kraftpapier und das Papier mit gewachsenen ZnO-NRs. Das braune Kraftpapier wird grau, nachdem ZnO-NRs auf dem Papier gezüchtet wurden. Das Papier wurde mehrmals mehrmals zu einer zylindrischen Oberfläche (mit einem Radius von etwa 2 cm) gewalzt, und bei der Untersuchung des Papiers mit einem optischen Mikroskop wurden keine Risse gefunden, die den Verlust von NRs zeigen. Abbildung 1b ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild des ZnO-Papiers. Abbildung 1c ist ein SEM-Bild der ZnO-NRs. Die NRs haben eine sechseckige Form mit Durchmessern zwischen 50 und 300 nm. REM-Aufnahmen von Cu₂ O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-NRs sind in Abb. 1 d, e bzw. f gezeigt. Eine kleine Menge Cu₂ Auf den NR-Oberflächen sind O- und Ag-NPs zu sehen.

a Fotografien eines Kraftpapiersubstrats (links) und des Papiers mit gewachsenen ZnO-NRs (rechts). b REM-Aufnahmen des ZnO NR-Papiers. c –f REM-Aufnahmen von ZnO, Cu₂ O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-NRs bzw.

Die energiedispersiven Spektroskopie (EDS)-Spektren des Cu₂ O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-NRs sind jeweils in Abb. 2a–c gezeigt. Die entsprechenden Elemente, die sich auf die Peaks beziehen, sind ebenfalls angegeben. Zn- und O-Peaks sind wie erwartet die dominierenden Peaks in den Spektren. Pt-Peaks stammen von der Metallbeschichtung bei der Aufnahme von REM-Bildern. Cu-Peaks, die nahe bei den Zn-Peaks liegen, sind in Fig. 2a zu sehen, was auf das Vorhandensein von Kupferoxid hinweist. In Abb. 2b ist ein Ag-Peak zu sehen, der das Vorhandensein von Silber oder Silberoxid anzeigt. Cu- und Ag-Peaks sind beide in Fig. 2c zu finden, was den Erfolg der Co-Dekoration anzeigt.

a–c EDS-Spektren des Cu₂ O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-NRs bzw.

Abbildung 3a ist eine Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme eines Ag/Cu₂ O/ZnO NR. Hochauflösende TEM-Bilder eines Cu₂ O und ein Ag-NP sind in Abb. 3 b bzw. c gezeigt. Fourier-Transformationsmuster des Cu₂ O und das Ag-NP sind in Abb. 3 d bzw. e dargestellt. In Abb. 4a wird der Interplanarabstand $ \left(2\kern0.5em \overline{1}\kern0.5em 1\right)$ mit 0.179 nm bestimmt, was mit dem (2 1 1) Abstand von 0,174 nm für Cu₂ O in den Karteien des Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS). In Abb. 4b wird der Interplanarabstand $ \left(1\kern0.5em \overline{1}\;\overline{1}\right)$ mit 0,236 nm bestimmt, was mit dem (1 1 1) Abstand von 0,236 nm für Ag in den JCPDS-Kartendateien. Es wird somit bestätigt, dass beide Arten von NPs auf der NR-Oberfläche gebildet werden.

a Ein TEM-Bild eines Ag/Cu₂ O/ZnO NR. b , c Hochauflösende TEM-Bilder eines Cu₂ O bzw. ein Ag-NP. d , e Fourier-Transformationsmuster des Cu₂ O bzw. Ag NP

a , b Hochauflösende TEM-Bilder eines Cu₂ O NP bzw. ein Ag NP

Fig. 5a ist ein Röntgenbeugungsmuster von ZnO-NRs wie gewachsen. Die starken Peaks fallen mit charakteristischen Peaks von ZnO zusammen, die eine gute Kristallinität der NRs bestätigen. Abbildung 5b ist ein Röntgenbeugungsmuster von Cu₂ O/ZnO-NRs. Es ist Fig. 5a ähnlich, und Beugungspeaks von Cu₂ O kann nicht beobachtet werden. Dies kann vernünftigerweise der geringen Menge an NPs auf der NR-Oberfläche zugeschrieben werden, wie in Abb. 3a zu sehen ist. Abbildung 5b bestätigt auch, dass die Kristallinität von ZnO nach dem Photoreduktionsprozess erhalten bleibt. Abbildung 5c zeigt die Röntgen-Photoemissionsspektroskopie (XPS) des Cu₂ O/ZnO-NRs. Die Peaks, die Cu⁺ . entsprechen deutlich zu erkennen, was die Bildung von Cu₂ . bestätigt O NPs. Es gibt auch Peaks, die Cu²⁺ . entsprechen mit geringerer Intensität, was höchstwahrscheinlich auf restliches CuSO₄ . zurückzuführen ist oder Bildung von CuO-NPs.

a , b Röntgenbeugungsmuster von ZnO und Cu₂ . im gewachsenen Zustand O/ZnO-NRs. c Ein XPS-Spektrum von Cu₂ O/ZnO-NRs

Abbildung 6 zeigt die Photolumineszenz(PL)-Spektren der vier photokatalytischen Papiere. Die Spektren zeigen einen starken Peak der Bandlückenemission bei etwa 400 nm und einen kleineren Peak bei etwa 470 nm, der mit der Defektemission von Sauerstoffleerstellen zusammenhängt [22]. Die PL-Intensitäten der drei NP-dekorierten ZnO NR-Papiere sind geringer als die des ZnO NR-Papiers. Dies ist hauptsächlich auf zwei Effekte zurückzuführen. Der erste ist die verbesserte Ladungstrennung nach der Zugabe von NPs, die die Rekombination von photogenerierten Elektronen und Löchern reduziert. Die zweite ist die Absorption des emittierten Lichts durch die NPs. Das Ag/ZnO-Papier hat eine geringere PL-Intensität als das Cu₂ O/ZnO-Papier. Die Austrittsarbeit des Ag-Kristalls beträgt etwa 4.5~4.7 eV und zwischen Ag und ZnO wird ein Schottky-Übergang gebildet [9]. Der Übergang ist für die Ladungstrennung wirksam, und infolgedessen ist die PL-Intensität des Ag/ZnO-Papiers geringer. Darüber hinaus ist die PL-Intensität von Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier ist das kleinste, was erwartet wird, da es zwei Arten von NPs und damit die beste Ladungstrennung hat.

PL-Spektren der vier photokatalytischen Arbeiten

Die Absorptionsspektren der RhB-Lösung als Funktion der Zeit (im Abstand von 10 Minuten) resultieren aus der Photokatalyse von ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-Papiere unter Beleuchtung einer Halogenlampe sind in Abb. 7 a bzw. b gezeigt. Bei 80 min betragen die Restkonzentrationen von RhB etwa 35 % bzw. 16 % des ursprünglichen Wertes. Die Verhältnisse der Konzentration C _t auf die Ausgangskonzentration C ₀ als Funktion der Zeit für die vier photokatalytischen Papiere sind in Abb. 7c in einer logarithmischen Skala aufgetragen. Die Ergebnisse der Photodegradation können an die kinetische Gleichung erster Ordnung C . angepasst werden _t = C ₀ exp(−kt ), wobei t ist die Zeit und k die Konstante erster Ordnung. Bei der linearen Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate sind die angepassten Konstanten 0,013, 0,016, 0,019 und 0,022 min⁻¹ für ZnO, Cu₂ O/ZnO, Ag/ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-Papiere.

a , b Absorptionsspektren der RhB-Lösung als Funktion der Zeit (im Abstand von 10 Minuten) resultierend aus der Photokatalyse des ZnO und des Ag/Cu₂ O/ZnO-Papiere bzw. c Diagramme von ln(C _t /C ₀ ) für das ZnO-Papier im Dunkeln und die vier photokatalytischen Papiere im Licht. d Diagramme von ln(C _t /C ₀ ) für Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier unter der Beleuchtung einer Halogenlampe und direktem Sonnenlicht

Ein Teil des gemessenen Farbstoffabbaus ist auf die Farbstoffaufnahme durch das Papier zurückzuführen. Die durch das ZnO-Papier im Dunkeln verursachte Konzentrationsänderung ist auch in Abb. 7c gezeigt, und die kinetische Konstante beträgt 0,005 min⁻¹ . Nach Subtraktion der Absorptionskonstante von den gemessenen Konstanten betragen die korrigierten kinetischen Konstanten des Photoabbaus 0,008, 0,011, 0,014 und 0,017 min⁻¹ für die vier photokatalytischen Arbeiten. Tatsächlich ist das Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier zeigt die beste Effizienz und die Verbesserung der kinetischen Konstanten gegenüber den anderen drei Papieren beträgt etwa 113 %, 55 % bzw. 21 %. Die Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier (das gleiche wie zuvor verwendet) wurde auch unter direkter Sonneneinstrahlung getestet. (Der Testort lag bei 120,99° E und 24,79° N. Der Testtermin war Mittag im Juli mit einer Temperatur von ca die Halogenlampenergebnisse zum Vergleich. Die angepasste kinetische Konstante beträgt 0,041 min⁻¹ (nach Ausschluss des physikalischen Absorptionseffekts) und der Wert beträgt ungefähr das 2,4-fache der kinetischen Konstante, die bei Verwendung der Halogenlampe erhalten wird.

Im TEM-Bild in Abb. 3a sind nur wenige Cu₂ O- und Ag-NPs auf einem ZnO-NR. Die Menge an NPs kann durch Verwendung einer längeren Photoreduktionszeit leicht erhöht werden. Die REM-Bilder von Ag/ZnO-NRs mit unterschiedlichen Reduktionszeiten von 1, 1.5, 2 und 2 min sind in Abb. 8 gezeigt. In Abb. 8a gibt es nur einige Ag-NPs auf den ZnO-NRs bei der Reduktionszeit von 1 Mindest. Die Menge an Ag-NPs steigt schnell an, wenn die Reduktionszeit leicht auf 1,5 min erhöht wird, wie in Fig. 8b gezeigt. Schließlich werden die ZnO-NRs mit Ag-NPs bedeckt, wenn die Reduktionszeit auf 2 min erhöht wird, wie in Fig. 8d gezeigt. Als Ergebnis kann die Photoreduktionszeit als effektiver Parameter zur Steuerung der Menge an Ag-NPs verwendet werden.

a–d REM-Aufnahmen von Ag/ZnO-NRs mit Photoreduktionszeiten von 1, 1.5, 2 bzw. 2.5 min

In Abb. 7c zeigt das Ag/ZnO-Papier eine bessere Effizienz als das Cu₂ O/ZnO-Papier. Dies stimmt mit dem in Fig. 6 gezeigten PL-Ergebnis überein, das anzeigt, dass das Ag/ZnO-Papier eine geringere PL-Intensität und somit eine bessere Ladungstrennung aufweist. Es kann jedoch auch erklärt werden, indem man das Energieband von Cu₂ . betrachtet O. Hydroxylradikale sind für den Farbstoffabbau verantwortlich und werden durch die Oxidation von Hydroxidionen nach Gl. (1) oder Wassermoleküle durch Gl. (2). Die Energiebanddiagramme von ZnO und Cu₂ O und die Standardreduktionspotentiale für die beiden Reaktionen sind in Abb. 9 dargestellt. Die Austrittsarbeiten von ZnO und Cu₂ O sind 4,3 bzw. 3,2 eV und die Bandlückenenergien betragen 3,2 bzw. 2,1 eV. Die Standard-Reduktionspotentiale (relativ zur Standard-Wasserstoffelektrode (SHE), die 4,44 V unter dem Vakuumniveau liegt) sind E ^o (^• OH/OH⁻ ) = 2.02 V und E ^o (^• OH/H₂ O) = 2,72 V. Daher photogenerierte Löcher in Cu₂ O haben nicht genug Energie, um an den beiden oben genannten Reaktionen teilzunehmen. Andererseits verstärken Ag-NPs die Absorption von sichtbarem Licht in ZnO und die photogenerierten Löcher in ZnO haben genug Energie, um Hydroxylradikale zu produzieren. Als Ergebnis zeigt das Ag/ZnO-Papier eine bessere Effizienz als das Cu₂ O/ZnO-Papier.

Die Energiebanddiagramme von ZnO und Cu₂ O und die Standardreduktionspotentiale für Gl. (1) und (2). Das Reduktionspotential ist relativ zu SHE, das 4,44 eV unter dem Vakuumniveau liegt

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Leistung von Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier mit kürzlich veröffentlichten substratgestützten NP-dekorierten ZnO-NRs für den Photoabbau von RhB-Lösung. Obwohl sich die experimentellen Bedingungen in diesen Arbeiten erheblich unterscheiden, ist die angemessene Effizienz des photokatalytischen Papiers offensichtlich. In Anbetracht der Vorteile der Flexibilität, des geringen Gewichts, der Ungiftigkeit, der geringen Kosten und der einfachen Herstellung und Skalierung hat das vorliegende photokatalytische Papier ein gutes Potenzial für den effektiven Abbau von organischen Farbstoffschadstoffen und auch für andere photokatalytische Anwendungen.

Schlussfolgerungen

In dieser Studie wurde die Herstellung von photokatalytischem Papier aus Cu₂ O- und Ag-NP-dekorierte ZnO-NRs werden beschrieben. Die ZnO-NRs werden auf einem Kraftpapiersubstrat unter Verwendung eines hydrothermalen Verfahrens gezüchtet, gefolgt von einer Dekoration mit Cu₂ O, Ag oder beide NPs unter Verwendung von Photoreduktionsprozessen. SEM- und Röntgenbeugungsanalyse bestätigen, dass die NRs eine gute Kristallinität besitzen. Die TEM-Analyse bestätigt die Zusammensetzungen der beiden Arten von NP. Vier verschiedene Arten von photokatalytischen Papieren mit einer Größe von 10 × 10 cm² werden hergestellt und für den Photoabbau von RhB-Lösung (10 µM und 100 µmL) verwendet. Unter Beleuchtung einer 300-W-Halogenlampe werden die kinetischen Konstanten erster Ordnung für ZnO und Ag/Cu₂ O/ZnO-Papiere sind 0,008 und 0,017 min⁻¹ , bzw. Bei direkter Sonneneinstrahlung wird das Ag/Cu₂ O/ZnO-Papier erreicht eine kinetische Konstante von 0,041 min⁻¹ . Die Leistung des Ag/Cu₂ Photokatalytisches O/ZnO-Papier schneidet gut mit anderen substratgestützten ZnO-Nanokomposit-Photokatalysatoren ab. Mit den Vorteilen der Flexibilität, des geringen Gewichts, der Ungiftigkeit, der geringen Kosten, der einfachen Herstellung und der angemessenen Effizienz hat das photokatalytische Papier ein gutes Potenzial zur Reduzierung der Verschmutzung durch organische Farbstoffe und anderer photokatalytischer Anwendungen mit sichtbarem Licht.