Hydrothermale Synthese von silberdekorierten reduzierten Graphenoxid-(rGO)-Nanoflocken mit effektiver photokatalytischer Aktivität für die Abwasserbehandlung

Einführung

Wasser auf der Erde ist mit Blut in unserem Körper verwandt. Es ist ein wichtiges Ressourcenmaterial für das Überleben und die Entwicklung aller lebenden Arten. Obwohl 71 % der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind, gelten nur 0,03 % des Gesamtwassers als Süßwasser, das durch Süßwasserseen, Flüsse und seichtes Grundwasser direkt für den Menschen nutzbar ist [1]. In den letzten Jahrzehnten hat sich die unzureichende Verfügbarkeit von sauberem Trinkwasser als unerbittliches globales Problem erwiesen. Das schnelle Wachstum der Weltbevölkerung und die Industrialisierung haben zu einer zunehmenden Umweltverschmutzung geführt, sodass rund 750 Millionen Menschen keinen Zugang zu sauberem Wasser haben [2, 3]. Wasserreservoirs werden immer wieder durch verschiedene gefährliche Schadstoffe verunreinigt, die Schwermetallionen, Farbstoffe, Öl und andere Chemikalien enthalten, die aus verschiedenen Ledergerbereien und Industrien in den Bereichen Textil, Gummi, Papier, Kosmetik, Färberei, Kunststoff und Lebensmittel freigesetzt werden [4]. Laut Weltbankbericht werden 17-20% der Wasserverschmutzung durch die Textilindustrie verursacht. Jährlich werden in zahlreichen Textilprozessen ~ 1/10 Millionen Farbstoffarten hergestellt, darunter Methylenblau (MB) 10-15% wird direkt im Abwasser freigesetzt. Diese Schadstoffe verursachen ernsthafte Gesundheitsprobleme wie Krebs, Reizbarkeit der Haut, Allergien und Leberfunktionsstörungen und sind auch schädlich für Wasserlebewesen [4, 5].

Um diese globalen Probleme anzugehen, werden bestimmte konventionelle Behandlungsansätze wie Ionenaustausch, Elektrolyse, Kohlefilter, chemische Koagulation, biologische Verfahren, Membranfiltration und Umkehrosmose (RO) verwendet. Dennoch sind mit diesen Techniken eine Reihe von Nachteilen und Einschränkungen verbunden, darunter Unfähigkeit, komplexe Verfahren, hohe Schlammbildung, hohe Implementierungs- und Betriebskosten und der Einsatz großer Energiemengen [4, 6, 7]. Daher müssen effiziente Technologien mit den oben genannten Eigenschaften entwickelt werden; Unter diesen Techniken überwindet die Photokatalyse maximale Mängel.

Bis heute ist der photokatalytische Abbau unter Verwendung anorganischer Halbleiter-Nanomaterialien aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wie geringer Toxizität, elektrochemischer Stabilität, superoxidativer Kapazität, Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit für Forscher sehr wünschenswert und interessant [2, 8, 9 ]. Während des photokatalytischen (PC) Prozesses absorbieren Nanomaterialien eine größere Energie des sichtbaren Lichts als eine durch Bandlücken initiierte Anregung zwischen Valenz- und Leitungsbändern. Durch Ladungstrennung werden Elektron-Loch-Paare erzeugt. Freie Radikale (OH) oxidieren organische Verbindungen und bauen Schadstoffe ab [8, 10].

Andererseits sind einige entscheidende Faktoren entscheidend für die Bestimmung der PC-Leistung, insbesondere die Oberfläche des Photokatalysators, da organische Schadstoffe hauptsächlich auf der Oberfläche von Halbleitern abgebaut werden. Vorhandensein einer robusten Lichtabsorptionskapazität, schnelle Grenzflächenredoxrate zwischen verschiedenen Nanostrukturen; zweidimensionale (2D) Nanostrukturen neigen dazu, diese Eigenschaften effizienter zu erreichen [11,12,13,14]. 2D-Nanomaterialien bieten aufgrund reduzierter Übergänge und Korngrenzen im Gegensatz zu anderen kugelförmigen Nanokristallen auch Elektronentransportkanäle. Ein schneller Elektronentransport verringert die Rekombinationsrate und erhöht die PC-Abbauleistung. In dieser Linie ist Graphenoxid (GO) also ein geeigneter Kandidat, um die Effizienz halbleitender PCs zu bestätigen [15,16,17,18].

In den letzten Jahrzehnten hat sich neben CNTs und anderen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien auch Graphen mit einer einzigen atomar dicken Nanoschicht als auffälliger Kandidat mit einer breiten Palette vielversprechender relevanter Eigenschaften, einschließlich Energieumwandlung, Speicherung und katalytischer Aktivität, herauskristallisiert [19, 20,21]. In Studien zur Wasseraufbereitung und -destillation aufgrund einer großen Anzahl delokalisierter Elektronen, die in sp ² . konjugiert sind Konfiguration des Kohlenstoffnetzwerks bereichert graphitischer Kohlenstoff den Transport von Photoelektronen und erhöht die Photokonversionseffizienz des Systems erheblich. Außerdem weist GO eine hohe Absorptionsfähigkeit von organischen Materialien in wässrigem Medium auf [22, 23]. GO und reduzierte Graphenoxide (rGO) führen zu einer PC-Reaktion und werden aufgrund ihrer engen Bandlücke als im sichtbaren Licht aktive Halbleiter-Photokatalysatoren gefördert. Dennoch besteht Raum für Verbesserungen, da sich herausstellte, dass die Photokonversion aufgrund der schnellen Rekombination von Elektron-Loch-Paaren auf der Oberfläche schlecht ist.

Die Photokonversionseffizienz von Photokatalysatoren basierend auf GO/rGO kann verbessert werden, indem die Elektron-Loch-Rekombination verhindert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Oberflächenmodifikationen mit Edelmetallionen wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Silber und Goldnanopartikeln (NPs) gut entwickelt. Das Silber unter den am meisten untersuchten Edelmetallen wird aufgrund seiner geringen Kosten, seiner unvergleichlichen optischen Eigenschaften, seiner höheren chemischen Stabilität und seiner nicht toxischen Natur als wahrscheinlicher Kandidat für die Modifizierung von Graphen und seinen Analoga für die PC-Relevanz angesehen. Eine höhere Immobilität von auf rGO dekorierten Silbernanopartikeln wird als verbesserte Leistung anerkannt, hauptsächlich aufgrund der größeren reaktiven Fläche und der überlegenen Ladungstrennung. Einzigartige Elektronenaggregations- und -transporteigenschaften von GO durch konjugiertes Schema treiben heiße Elektronen zu reaktiven Stellen und unterdrücken die Rekombination [23]. Folglich zielten wir im Interesse der oben genannten Vorteile darauf ab, verschiedene Verhältnisse des Ag-Gehalts (2,5, 5, 7,5, 10) Gew.-% mit rGO-Photokatalysator auf hydrothermischem Weg zu synthetisieren, um die Photokatalysatoreffizienz zu untersuchen, und auch hergestellte Proben würden durch verschiedene Techniken charakterisiert, um sie zu untersuchen strukturelle optische und elektronische Eigenschaften.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, verschiedene Konzentrationen von Ag auf hydrothermalem Weg zu rGO-Nanoblättern zu synthetisieren, um die Effizienz des Photokatalysators zu untersuchen.

Materialien

Graphit (99 %) und Natriumnitrat (NaNO₃ .) ) 99,9 % wurden von „Sigma-Aldrich“ bezogen, während Schwefelsäure (H₂ SO₄ , 37 %) und Phosphorsäure (H₃ .) PO₄ ) wurden von „Analar“ erworben. Silber (Ag, 99,8 %), Kaliumpermanganat (KMnO₄ .) , 99 %) und Salzsäure (HCL) wurden von „Merck“ gewonnen. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Synthese von GO

Um GO zu erhalten, wurde eine modifizierte Hummer-Methode angewendet. Graphit (5 g) und NaNO₃ (2,5 g) wurden in H₂ . gemischt SO₄ (108 ml) mit 12 ml H₃ PO₄ . Die Mischung wurde in einem Eisbad 10 Minuten lang magnetisch gerührt; weitere Filtratlösung wurde in einem Muffelofen bei 60 °C 2 h lang getrocknet, um Feuchtigkeit zu entfernen. Später KMnO₄ (15 µg) wurde langsam bei gehaltener Temperatur bis unter 5ºC zugegeben. Die Suspension wurde 2 h lang in ein Eisbad überführt, nachdem 60 min bei 98 °C kräftig gerührt worden war, während kontinuierlich Wasser zugegeben wurde. Weiteres entionisiertes Wasser wurde zugegeben, bis das Suspensionsvolumen nach 5 Min. H₂ . 400 ml betrug O₂ (12 ml) wurde gemischt. Schließlich wurde die Suspension zentrifugiert und wiederholt mit Wasser gewaschen, und das HCL-Produkt wurde bei 60 °C getrocknet und der pH-Wert von GO wurde nach dem Waschen mit 5,7 ermittelt, wie in Abb. 1 dargestellt [24, 25].

Syntheseprozess für GO und Ag-dotiertes rGO

Synthese von Ag/rGO

Das rGO wurde durch thermische Reduktion aus GO extrahiert GO wurde reduziert, indem es bei einer Reduktionstemperatur (300 °C) gehalten wurde eine plötzliche Temperaturänderung verursacht die Eliminierung von funktionellen Gruppen und Sauerstoffatomen aus den Kohlenstoffebenen und es findet eine Exfoliation von GO statt, um rGO zu produzieren [ 26]. Das rGO kann als chemisch abgeleitetes Graphen betrachtet werden, dessen Struktur von einer Schicht bis zu mehreren Schichten variiert [27]. Ag-dotiertes rGO mit verschiedenen Konzentrationsverhältnissen wurde hydrothermal synthetisiert, unter Verwendung von 800 mg GO-Nanoblättern, in die (25, 50, 75 und 100 mg) Ag in 80 ml entionisiertem Wasser unter starkem Rühren für 20 min eingebaut waren. Die Lösung wurde dann zentrifugiert (30 min) und anschließend in einen 100 ml Teflon-ausgekleideten Autoklaven überführt, verschlossen und auf 200 °C (24 h) erhitzt. Das Endprodukt wurde bei ~ 200°C getrocknet, wie in Abb. 1 [9] gezeigt.

Photokatalytische Aktivität

Die photokatalytische Aktivität der hergestellten Produkte wurde durch den Abbau von synthetischem Methylenblau (MB) in wässrigem Medium, wie in Fig. 2 gezeigt, bewertet. Farbstoff (5 mg/500 ml) wurde mit 10 mg Photokatalysatorsuspension (0,025:1, 0,050:1, 0,075:1 und 0,1:1) unter Rühren (5 min) und 30 min im Dunkeln ausgesetzt, um eine signifikante Absorption zu erreichen. 60 ml der hergestellten Lösung wurden unter heftigem Rühren in einen Photoreaktor unter einer Quecksilberlampe (400 W und 400-700 nm), die als sichtbare Lichtquelle verwendet wurde, überführt. Nach Belichtung mit Licht für spezifizierte Zeitintervalle (20 min) wurde eine Suspension (3 ml) gesammelt, um den Farbstoffabbau zu bestimmen. Die Konzentration/Extinktion von MB wurde mit einem UV-Vis-Spektrometer untersucht; Die Entfärbungseffizienz des hergestellten Photokatalysators wurde wie folgt bewertet:

Photokatalytischer Mechanismus des Farbstoffabbaus in Gegenwart von Ag/rGO

wobei C _o ist die Extinktion bei t =0 und C ist die Extinktion zum Zeitpunkt t (spezifisches Zeitintervall) [8, 10].

Der Mechanismus des photokatalytischen Abbaus organischer Moleküle wird wie folgt aufgeklärt (Abb. 2). Wenn der Photokatalysator (Ag/rGO) mit Photonen einer Energie gleich oder größer der Bandlückenenergie von PC bestrahlt wird, dann werden Elektronen (e ⁻ ) werden vom Valenzband (VB) angeregt

$$ \mathrm{PC}+ hv\to {e}^{-}\left(\mathrm{CB}\right)+{h}^{+}\left(\mathrm{VB}\right) $$ (2)

Durch Bestrahlung erzeugte Elektronen können leicht von O₂ . eingefangen werden absorbiertes Molekül auf der Oberfläche des Photokatalysators (PC) oder gelöstes O₂ um Superoxidradikale zu ergeben, d. h. O₂ ^•−

$$ {e}^{-}+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{O}}_2^{\bullet -} $$ (3)

Somit ist O₂ ^•− kann mit H₂ . reagieren O zur Bildung eines Hydroperoxyradikals (H₂ O ^• ) und Hydroxylradikal (OH ^• ), die einflussreiche Oxidationsmittel sind, die organische Moleküle zersetzen:

$$ {\mathrm{O}}_2^{\bullet -}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}\mathrm{O}}_2^{\bullet} +\mathrm{O} $$ (4)

Gleichzeitig könnten photogenerierte Löcher von Oberflächen-Hydroxylgruppen (H₂ O) auf der Oberfläche eines Photokatalysators zur Bildung von Hydroxylradikalen (OH ^• ):

$$ {h}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}{\mathrm{H}}_{\mathrm{ad}} $$ (5) $$ {h}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\ mathrm{H}}^{+} $$ (6)

Schließlich werden organische Moleküle zu CO₂ . oxidiert und H₂ O wie folgt:

OH + organische Moleküle + O₂ → Produkte (CO₂ und H₂ O) (7)

Vorübergehend könnte eine leichte Rekombination von positivem Loch und Elektron stattfinden, was die photokatalytische Aktivität des hergestellten Nanokatalysators verringern könnte [28].

Materialcharakterisierung

Kristallstruktur und Phaseninformation von GO und Ag@rGO wurden durch XRD untersucht, durch Spectrum Bruker System (XRD, D2 Phaser, USA), ausgestattet mit monochromatisierter Cu K Strahlung einer durchschnittlichen Wellenlänge von 0.154 nm (5-80°) unter Verwendung von a Scanrate von 0,05/min. FTIR Perklin Elmer 3100 Spektrometer mit einem Spektralbereich von 4000–400 cm ⁻¹ mit einer Steigerung von 32 Scans und einer Auflösung von 0,2 cm ⁻¹ wurde verwendet, um funktionelle Gruppen und andere molekulare Schwingungen von präparierten Proben zu detektieren. Optische Eigenschaften wurden mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (TECAN infinite M200PRO) im Bereich von 200–700 nm aufgezeichnet. Die Oberflächenmorphologie und der Zwischenschichtabstand der synthetisierten Proben wurden unter Verwendung eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FESEM), JSM-6460LV und eines hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskops (HR-TEM) Philips CM30 und JEOL JEM 2100F beobachtet. Um GO, Ag/rGO-Flocken und Schwingungsmoden zu bestätigen, wurden Raman-Spektren auf Renishaw in einem konfokalen Raman-Reflex-Mikroskop mit einer Wellenlänge von 532 nm (6   mW) Laser verwendet. Photolumineszenzspektren von so hergestellten und dotierten Proben wurden mit einem Spektrofluorometer (JASCO, FP -8300) aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Die Phasenstruktur und Kristallitgröße von präparierten rGO-Nanoblättern mit eingefügtem Ag wurden mittels XRD-Analyse untersucht (Abb. 3a). Das Diffraktogramm von GO zeigt eine intensive Reflexion bei ~ 10,27 °, die der (001)-Ebene mit einem Zwischenschichtabstand von 0,80 nm zugeschrieben wird [23, 29, 30]. Bei der Ag-Dotierung entsteht ein breiter Peak bei ~ 25,4°, der als der charakteristische Peak von Graphen, indiziert als (002)-Ebene (JCPDS Nr. 04-0783) von hexagonalem Graphit, mit einem d-Abstand von 0,34 nm [23, 30,31 ,32]. Peak (001) zeigt, dass das Graphitpulver vollständig zu GO oxidiert ist, und Peak (002) bestätigt die Entfernung des Polykohlenwasserstoff-Templats zwischen zwei rGO-Schichten [30]. Nach der Ag-Substitution verschiebt sich der GO-Peak (001) zu einem höheren Wert auf 2θ bei 25,4° mit geringerem d-Abstand, offensichtlich für Redoxreaktion zwischen Graphenoxid und Silberionen (Ag-rGO) und d-Verschiebungswert nach Reduktion, verursacht durch die Entfernung sauerstoffhaltiger Gruppen, die zwischen Schichten aus reduziertem Graphenoxid (rGO) interkalieren wie im XRD-Diffraktogramm sichtbar [29, 32]. Durchschnittliche Kristallitgröße, bestimmt nach der Scherer-Gleichung:

Die Kristallitgrößen liegen bei ~ 4,85, 11,3, 11,53, 11,6 bzw. 28,3 nm. In Gl. (8) k =0,89, β =FWHM, λ =0,154 nm und θ =Beugungswinkel. Die Elektronenbeugung in ausgewählten Bereichen (SAED) in Fig. 3b und c, die den XRD-Mustern der hergestellten Proben entspricht, zeigt unterschiedliche Ringmerkmale und zeigt eine hexagonale Phase von GO und Ag/rGO an, die sich in gut kristallisierten Produkten manifestiert; auch war die Ringindizierung konsistent mit XRD-Mustern.

a XRD-Muster. b , c SAED-Ringe aus präpariertem und Ag-dotiertem RGO (b ) 0:1 (c ) 0,010:1. d FTIR-Spektren

Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektren von GO und Ag-dotiertem rGO sind in Fig. 3d dargestellt. Beobachteter Peak ~ 3433 cm ^–1 entspricht einer OH-Streckschwingung [23]. Niedrige Transmissionsspitzen bei 1719 cm ^–1 Ordnen Sie C =O Streckschwingungen, die durch COOH-Gruppen verursacht werden, und die Bande bei 1627 cm ⁻¹ . zu der aromatischen C-C-Streckung zugeordnet [10, 33]. Spitze bei ~ 2371 cm ⁻¹ COO-Gruppen zugeordnet [34]. Transmissionspeak (~ 650 cm ⁻¹ ) ist eine Fingerabdruckregion von hybridisiertem sp ² Kohlenstoffbindung als C-H-Biegeschwingung zugeordnet [35]. Band ~ 1082 cm ^–1 entspricht C–O–C von Hydroxylstreckschwingungen, beim Dotieren änderte sich der Spitzenwert der funktionellen Gruppen auf der dotierten Probe leicht, während ihre Formen ähnlich bleiben [23, 29, 36].

Optische Eigenschaften in Bezug auf Absorption und Bandlückenanalyse des Ag-rGO-Photokatalysators wurden durch einen UV-Vis-Spektrographen im Bereich von 200-700 nm untersucht, wie in Fig. 4a gezeigt. Das UV-Vis-Spektrum von GO weist aufgrund von π . einen charakteristischen Peak bei 230 nm auf –π * Übergang aromatischer C-C-Bindungen zeigte die Wiederherstellung eines ausgedehnten konjugierten Gerüsts von sp ² Kohlenstoffatome. Ein weiterer Schulterpeak bei 300 nm beobachtet, der auf n . zurückgeführt wird –π * Übergänge von C=O-Bindungen [19, 23, 31]. Umgekehrt wurden diese beiden Peaks im Fall von Ag/rGO entsprechend π . schwächer –π * Übergang der aromatischen C-C-Bindung wurde bei 270 nm rotverschoben gefunden, was die Reduktion von GO bestätigt und keine Wiederherstellung der Elektronenkonjugation von Graphen anzeigt [23, 29]. Die Absorption im sichtbaren Bereich (~ 400 nm) aufgrund ihrer plasmonischen Oberflächenresonanz von Ag-NPs ist ein weiterer Beweis dafür, dass sie im sichtbaren Licht aktiver Photokatalysator zur Entfernung organischer Körper ist [23, 29, 37]. Die Bandlücke wurde durch die Tauc-Gleichung berechnet; αhν = D (hν − ZB ) ⁿ durch Auftragen von (αhν ) ² vs hν durch Extrapolation der linearen Anpassungen wurde die Bande mit 4,10 eV für GO und 3,98 bis 3,50 eV für Ag/rGO berechnet, die Bandlücke nahm allmählich ab, mit höherer Dotierung der Ag-NPs, die in Abb. 4b deutlich zu beobachten sind [38].

a UV-Vis-Spektren von GO und Ag-rGO. b Bandgap-Vergleich

Die morphologischen Eigenschaften von GO- und Ag-rGO-Proben wurden durch FESEM und HR-TEM aufgeklärt, die in Abb. 5 gezeigt sind. GO-Bilder (Abb. 5a) zeigen einige Schichten von Mikrostrukturen mit reichen Falten und flauschiger Morphologie, die einem dünnen Vorhang ähneln. Bilder von Ag@rGO (Abb. 5b-d) zeigen teilweise gefaltete und gekräuselte transparente Nanoblätter mit kleinen Schwankungen, die aufgrund seiner 2D-Kristallstruktur für die thermodynamische Stabilität von Graphen unerlässlich sind. Nanoblätter weisen extrem saubere, seidige und wellige Strukturen auf und diese Eigenschaft kann wichtig sein, um eine Aggregation von rGO-Schichten zu vermeiden und die Oberfläche zu erhalten, um die Anlagerung von Ag-NPs an Graphenschichten zu erleichtern, die in HR-TEM-Bildern sichtbar gemacht werden können [36]. Die entsprechenden HR-TEM-Bilder (Abb. 6 a₁ -d₁ ), weist GO eine lamellare und flächige Struktur mit sauberer Oberfläche auf (Abb. 6a₁ ), in einer Ag-rGO-Probe (Abb. 5 b₁ ) wenige Stapelfalten aufgrund ihrer Verzerrungen durch einen hohen Anteil an sp ³ C-O-Bindungen [29]. Mit zunehmender Konzentration von Ag-NPs (Abb. 6 c₁ , d₁ )-Bilder zeigten eine gut dispergierte und homogene Streuung von kugelförmigen Ag-NPs auf der Oberfläche von rGO-Blättern mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10-12 nm [23, 29]. In Abb. 6 d₁ mit einer höheren Konzentration (10 %) von Ag nahm die Aggregation von Partikeln zu, was für dotierte Spezies offensichtlich ist.

(a -d , a ₁ -d ₁ ) FESEM- und HR-TEM-Bilder von GO und Ag/rGO (a , a ₁ ) LOS (b , b ₁ ) 0,050:1 (c , c ₁ ) 0,075:1 und (d , d ₁ ) 0,10:1

a -d d-Abstand von HR-TEM-Bildern von Ag-rGO (a ) 0,025:1 (b ) 0,050:1 (c ) 0,075:1 (d ) 0,10:1

Die extrem hochauflösenden Bilder bis zu 5 und 10 nm d-Abstand von Ag/rGO-Proben sind in Abb. 6a-d deutlich zu sehen. Eingekreiste Bereiche weisen auf das Vorhandensein von Ag-NPs hin, wobei der Gitterabstand der Ag-Nanokristalle ungefähr 0,235 nm beträgt [23, 29].

Eine Photolumineszenz(PL)-Analyse wurde durchgeführt, um die Lebensdauer, den Transfer und das Einfangen von Elektron-Loch-Paaren zu untersuchen und die Wechselwirkung zwischen Graphen-Nanostrukturen zu untersuchen, deren Einfluss auf die photokatalytische Reaktion in Abb. 7a dargestellt ist [39, 40]. Graphit weist aufgrund der Null-Bandlücke keine Lumineszenzeigenschaften auf. Dennoch wird bei einer Größenverringerung bis in den Nanobereich die Bandlücke aufgrund des Quanteneinschlusseffekts groß. In Nanoschichten von GO und rGO veränderten Oxidgruppen und Kohlenstoffleerstellen das Graphen, um jeden Kohlenstoff-Nanocluster zu bilden, der ein Halbleiterverhalten und ein Lumineszenzphänomen zeigt, das durch die Größe oder den Anteil von Ketten und Clustern beeinflusst werden kann [40, 41]. In PL-Spektren wurden Lumineszenzpeaks bei ~ 330, 565 und 608 nm lokalisiert, was der Elektron-Loch-Paar-Rekombination im lokalen Zustand von sp ² . zugeschrieben wird mit sp ³ . eingebaute Kohlenstoffcluster Matrix. Daher ist die rGO-Lumineszenz auf verschwundene funktionelle Sauerstoffgruppen zurückzuführen, die die Perkolation der Wege zwischen sp ² . erleichtern Cluster [40]. Signifikanter Peak bei ~ 565 nm im Fall von rGO stark verringert mit Reduktion der funktionellen GO-Oxidgruppen, die verringert sind und sp ² Kohlenstoffcluster werden gleichzeitig expandiert [41].

a PL-Spektren. b Raman-Spektren präparierter Proben. c Zoombereich von Raman-Spektren

Die Raman-Spektroskopie wurde eingesetzt, um die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Kontrollprobe und von Ag@rGO zu untersuchen, um geordnete und ungeordnete Kohlenstoffstrukturen zu unterscheiden, wie in Abb. 7b, c gezeigt. Im Fall von GO befinden sich zwei Bänder bei ~ 1340 und ~ 1590 cm ⁻¹ als D- bzw. G-Band zugeordnet. Das D-Band wird dem Atmungsmodus von k-Punkt-Phononen mit A_1g . zugewiesen Symmetrie und Band von sp ³ Kohlenstoffatome; G-Band deutet auf einen charakteristischen Peak von sp ² . hin Hybridstruktur, die Symmetrie und Kristallisierbarkeit von Kohlenstoff offenbart und E_2g . einführt Phononenstreuung von Kohlenstoffatomen [32, 33, 36]. Darüber hinaus ist die D-Bande bei Oberflächendefekten offensichtlich, und strukturelle Unvollkommenheiten treten bei angehängten Hydroxyl- und Epoxidfunktionsgruppen mit Kohlenstoff-Basisebenen auf [36]. Das G-Band ist nur der Raman-Modus in Graphen, der aus einem herkömmlichen Raman-Streuungsprozess erster Ordnung stammt und dem in der Ebene liegenden Zonenzentrum, doppelt entarteten Phononenmodus (transversal (TO) und longitudinal (LO) optisch) mit E_{2g . entspricht} Symmetrie [42]. Im Fall von Ag-rGO Raman-Spektrum beobachtet bei 1338 cm ⁻¹ (D-Band), 1583 cm ⁻¹ (G-Band) und 2682 cm ⁻¹ (2D-Band) gibt es einen zusätzlichen Peak, der bei 2900 cm ⁻¹ . zentriert ist (D + G-Bande), die eine Unordnung aufgrund von Kombinationsstreuung in Abb. 7b, c darstellt [31, 35, 42,43,44,45]. D Schwingungsprozesse des Telefongitters; dennoch ist es nicht mit Defekten wie dem D-Band in Abb. 7c assoziiert [35, 41]. Die Variationen der relativen Intensitäten der G- und D-Bande in Raman-Spektren von GO während der Reduktion werden normalerweise als Änderung des elektronischen Konjugationszustands bezeichnet. Diese Änderung deutet auf eine Zunahme der Anzahl von sp ² . hin atomare Domänen nach der Reduktion von GO [46]. Das Intensitätsverhältnis der D- zur G-Bande definiert den Grad der Unordnung in Graphitschichten; I_D /I_G =0,87 für eine dotierte freie Probe (GO), I_D /I_G =1,15 für Ag-dotierte Proben und eine Zunahme des Verhältnisses zeigt eine Abnahme der durchschnittlichen Größe von sp ² Kohlenstoffdomänen nach der Synthese von Ag@rGO, während das Intensitätsverhältnis zwischen 2D- und G-Bande (I_2D /I_G ) 1,69, wurden verwendet, um die Elektronenkonzentration in rGO zu untersuchen [31, 32, 35, 47].

Ag-Nanopartikel erzeugen bei Dotierung in einem Halbleitermaterial aufgrund ihrer unterschiedlichen Austrittsarbeiten eine Kontaktpotentialdifferenz. Diese Potentialdifferenz wird Schottky-Barriere genannt. Wie in Abb. 8 gezeigt, hängt die Bandbiegung bei Kontaktbildung nach Erreichen des Gleichgewichts von den relativen Energien der Austrittsarbeit des Metalls ab (ϕ_M ) und die Halbleiter (ϕ_B ) Komponenten. Dieses Phänomen kann die Effizienz der Ladungstrennung stark verbessern, sobald es die gerichtete Wanderung photogenerierter Elektronen vom Halbleiter zum Metall induzieren kann. Mit anderen Worten, es kann zur Bildung einer effektiven Elektroneneinfangstelle führen, um die Elektron-Loch-Rekombination zu unterdrücken [48].

Qualitative elektronische Bandstruktur von Ag-dekorierten Nanoblättern

Die photokatalytische Aktivität von GO- und Ag/rGO-Nanoblättern entstand aufgrund ihrer großen Oberfläche und geringen Bandlückenenergie. Somit zeigt Ag/rGO eine wesentliche Verbesserung des Photoabbaus von MB, und der Farbstoff wird in 120&supmin; min vollständig abgebaut (Fig. 9b). Die Gleichung pseudo-erster Ordnung kann verwendet werden, um die photokatalytische Effizienz (Abb. 8a) von GO- und Ag/rGO-Proben explizit zu erläutern, indem der folgende Ausdruck verwendet wird.

wobei Co die Anfangskonzentration des Farbstoffs ist und C _t ist die Konzentration zu einem Zeitpunkt, k ist die scheinbare Geschwindigkeitskonstante des Abbauprozesses, die im Absorptionsdiagramm (Fig. 9a) angezeigt wird, d. h. der Wert von k für GO beträgt etwa 0,1300 min ⁻¹ und k außerordentlich erhöht bei Ag/rGO (0,1300 min ⁻¹ bis 0.7459 min ⁻¹ ). Abbildung 9c zeigt eine Kompression des prozentualen Abbaus mit der Zeit, GO zeigt eine Effizienz von 65 % und einen allmählichen Anstieg mit der Dotierungskonzentration. Ag/rGO (0,10:1) zeigt einen maximalen prozentualen Abbau von bis zu 100 %, was wahrscheinlich auf synergetische Effekte von Ag-NPs zurückzuführen ist [49, 50]. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse in der vorliegenden Studie kann schließlich vorgeschlagen werden, dass Ag/rGO ein ausgezeichnetes Produkt ist, das zur Reinigung von Wasser von organischen Farbstoffen verwendet werden kann.

a Auftragung von -ln (Ct/C0) gegen die Zeitspektren für die Farbstoffreduktion. b Konzentrationsverhältnis (C/C₀ .) ) gegen die Zeit. c Abbau (%) Vergleich aller Proben

Schlussfolgerung

GO wurde erfolgreich durch die modifizierte Hummers-Methode erhalten und rGO wurde durch thermische Behandlung während der Insertion von Ag (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) auf hydrothermalem Weg synthetisiert. Gemäß dem XRD-Muster weisen Peakverschiebung und Abnahme des d-Abstands (0,34 bis 0,023 nm) auf eine Redoxreaktion von GO bei der Ag-Dotierung mit hexagonaler Kristallstruktur hin; eine durchschnittliche Kristallitgrößenzunahme (4,85 bis 15,6 nm) bei Substitution von Ag wird beobachtet. FTIR-Spektren bestätigter Transmissionspeak bei etwa 650 cm ⁻¹ das ist eine Fingerabdruckregion von hybridisiertem sp ² Kohlenstoffbindung wird als C-H-Biegeschwingung zugeordnet und gibt Informationen über andere angehängte funktionelle Gruppen preis. Der charakteristische Peak, der π . zugeschrieben wird –π * und n –π * Bindung und Rotverschiebung in Peaks. Es bestätigt die Anwesenheit von Ag, wie durch UV-Vis-Spektroskopie aufgeklärt, eine offensichtliche Abnahme der Bandlückenenergie (4,10 bis 3,50 eV) mit einem erhöhten Dotierungsverhältnis, das mit Hilfe der Tauc-Gleichung berechnet wurde. Morphologische Merkmale zeigen Stapelschichten von GO und Ag/rGO mit einem Gitterabstand von ~ 0,235 nm, Kugelform und Größe (10-12 nm) von Ag-NPs, visualisiert durch HR-TEM. Die Kohlenstoffatome des Lokalzustands sp ² Cluster integriert mit sp ³ Matrix, signifikante Peak-Abnahme bei rGO und erweitertem sp ² Kohlenstoffcluster beim Dotieren wurde mit PL-Spektren bestätigt. A_1g Symmetrie in sp ³ Kohlenstoffatome im D-Band, sp ² Hybridstruktur, die Symmetrie und Kristallisierbarkeit von Kohlenstoff offenbart und E2g-Phononenstreuung eines Kohlenstoffatoms einführt, und Oberflächendefekte wurden durch Raman-Spektren berechnet. Die photokatalytische Aktivität reagiert auf Ag/rGO (0,10:1) und verringert 100 % der MB-Konzentration. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass präparierter Nanokatalysator kein Gefahrenverhalten bei der Wasseraufbereitung zeigt und ein ausgezeichneter Nanokatalysator für die Eliminierung organischer Schadstoffe aus Abwasser ist.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

UV-Vis:

Ultraviolett-Spektroskopie im sichtbaren Bereich

XRD:

Röntgenbeugung

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards