Eine einfache Methode zur Herstellung einer Cu2O-TiO2-NTA-Heteroverbindung mit sichtbarer photokatalytischer Aktivität

Hintergrund

Da den Umweltfragen heutzutage immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist die Untersuchung von Wasseraufbereitungsmaterialien in einem kontinuierlichen Strom entstanden [1,2,3,4]. Für die Behandlung von verschmutztem Wasser wurden Hunderte von Strategien vorgeschlagen. Es gab jedoch viele Probleme, wie geringe Effizienz, niedrige Recyclingrate und sekundäre Umweltverschmutzung, die ihre weitere Anwendung einschränkten [5,6,7]. Die Halbleitermaterialien wurden als vielversprechender Kandidat angesehen und Titanoxid wurde aufgrund seiner hohen photokatalytischen Aktivität und guten chemischen und mechanischen Stabilität als eines der besten Photokatalysatormaterialien anerkannt [8,9,10,11,12]. Vor kurzem TiO₂ Materialien mit Nanoröhren(NT)-Anordnung wurden umfassend untersucht, und die röhrenförmige Morphologie erwies sich als vielversprechende Struktur für die Photokatalyse. Im Vergleich zu anderen mikrokosmischen Morphologien ist TiO₂ NT-Arrays besaßen mehrere bedeutende Vorteile [13,14,15,16,17]. Erstens könnte eine einzigartige röhrenförmige Struktur die Elektronentransporteffizienz verbessern und die Rekombination von Trägern hemmen, die weiter reaktive Sauerstoffspezies (ROS) produzieren wird [18, 19]. Zweitens TiO₂ NT-Arrays sind viel einfacher zu recyceln als TiO₂ Pulverphotokatalysatoren [20,21,22,23,24]. Drittens TiO₂ NT-Arrays haben eine große spezifische Oberfläche und eine hohe Oberflächenenergie. Allerdings wegen der relativ großen Lücken (~ 3.2 eV). TiO₂ NT-Photokatalysator ist nur unter UV-Bestrahlung aktiv [25,26,27,28]. Tatsächlich wird ein Photokatalysator, der mit sichtbarem Licht reagieren kann, sicherlich offensichtliche Vorteile haben. Derzeit liegt der Schwerpunkt der Photokatalysatorforschung darin, ihr Lichtreaktionsband anzupassen und ihre photokatalytische Effizienz zu verbessern.

Aufbau von heterogenem TiO₂ Photokatalysatoren mit schmalen Bandlücken ist einer der Hotspots, um solche Hindernisse zu überwinden. Schmalbandige Halbleiter wie Cu₂ O, CdS, CdTe, PbS und Bi₂ O₃ , wurden untersucht, um TiO₂ . aufzubauen Photokatalysatoren mit Heteroübergang [29,30,31,32,33,34]. Unter ihnen Cu₂ O (mit der direkten Lücke von ~ 2.2 eV) gilt als einer der besten Kandidaten. Für Cu₂ O, das Antwortband beträgt etwa 560 nm, und seine Bandlückenstruktur stimmt zufällig gut mit dem Energieniveau von TiO₂ . überein NTs. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, werden bei Anregung mit sichtbarem Licht Elektron/Loch-Paare erzeugt und die photoinduzierten Elektronen in das Leitungsband von Cu₂ . angeregt O und dann auf das Leitungsband von TiO₂ . übertragen , das die Rekombination von Elektronen und Löchern unterdrückt. Diese Heteroübergangsstruktur löst das Problem, dass das TiO₂ Materialien nicht auf sichtbares Licht reagieren konnten und das Problem, dass Elektron/Loch-Paare auf Cu₂ . erzeugt wurden O lassen Sie sich leicht neu kombinieren. Aus dieser Sicht ist Cu₂ O-TiO₂ Materialien mit NTA-Heteroübergangsstruktur garantierten einen natürlichen Vorteil bei der Photokatalyse mit sichtbarem Licht.

Schematisches Strukturdiagramm von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction. Unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht wurden die Elektronen zum Leitungsband von Cu₂ . angeregt O-Partikel und dann auf das Leitungsband von TiO₂ . übertragen für die passende Bandgap-Struktur

Allgemeiner Ansatz zur Herstellung von Cu₂ O-TiO₂ Heteroübergangs-Photokatalysatoren umfassen die chemische Kopräzipitation und die Elektroabscheidung, und die Produkte haben vielversprechende photokatalytische Leistungen gezeigt. Aber es ist immer noch eine Herausforderung, Cu₂ . herzustellen O-TiO₂ Heterojunction-Photokatalysatoren mit guter Qualität unter Verwendung einer einfachen und kostengünstigen Methode. Inspiriert vom Konzept des Vorläufers aus der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), die Idee, Acetat zu verwenden, um Kupferionen zu transportieren, um in das Innere von TiO₂ . zu gelangen NTs, die durch anodische Oxidation hergestellt wurden, kommt heraus. Es ist bekannt, dass metallorganische Verbindungen wahrscheinlich thermisch zersetzt werden. In dieser Studie wurde anodisches TiO₂ NTAs dienten zunächst als „Nanobehälter“, um Kupferacetat zu beladen, und dann als „Nanoreaktoren“, um Platz für die thermische Zersetzung des beladenen Kupferacetats zu schaffen. Nach einer thermischen Behandlung wird Cu₂ O-TiO₂ TNA-Heterojunction-Filme wurden erfolgreich erhalten. Nach unserem besten Wissen wurde über diese Methode nicht berichtet, um Cu₂ . herzustellen O-TiO₂ TNA-Heterojunction. Darüber hinaus wurden die Phasenzusammensetzung, Morphologie und photokatalytische Aktivität durch XRD, EDS, SEM und Spektralphotometer charakterisiert.

Experimenteller Abschnitt

Die im Versuchsablauf genannten Chemikalien wurden gekauft (Sinopharm Group Chemical Reagent Co. Ltd., China) und ohne weitere Reinigung verwendet, mit Ausnahme des entionisierten Wassers mit einem Widerstand von 18,3 MΩ cm.

Herstellung von reinem TiO₂ Nanoröhren-Arrays

Die anodische Oxidationsmethode wurde verwendet, um gleichmäßiges und stabiles TiO₂ . herzustellen NTAs mit vertikaler Ausrichtung [35, 36]. Metallbleche aus Titan (Ti) wurden in Stücke von 1,5 × 5 cm ² . geschnitten und mit einem Reinigungsmittel gereinigt. Nach einem Ultraschallbad in Ethanol wurden die Ti-Stücke im Ofen getrocknet. Elektrolyt bestand aus 535,45 g Glykol, 10 g entionisiertem Wasser und 1,6617 g NH₄ F, die gemischt und 2 h gerührt wurden. Dann nahmen wir zwei Stücke Ti als Anode bzw. Kathode. Eintauchen in Elektrolyt, Anlegen eines konstanten Potentials von 50 V für 2 h, amorphes TiO₂ Nanoröhren-Arrays (TiO₂ NTAs) wurden bei Raumtemperatur hergestellt.

Synthese von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction

Das amorphe TiO₂ NTAs wurden durch eine thermische Behandlung bei 450 °C zu Anatas kristallisiert. Und dann wurden sie als Substrat verwendet, um Cu₂ . herzustellen O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Film. Zuerst Kupferacetat (Cu(Ac)₂ ) mit unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt, die von 0,05 bis 0,3 mol/L reichen. Dann geglühtes TiO₂ NTAs wurden vorübergehend in die Lösung eingetaucht und sofort im Ofen bei 70 °C getrocknet. Und die Endprodukte, Cu₂ O-TiO₂ Filme, wurden als Probe S1-S5 jeweils durch die unterschiedlichen Cu(Ac)₂ . gekennzeichnet Konzentration von 0,05, 0,1, 0,2, 0,3 und 4 mol/L in diesem Tauchverfahren. Nach diesem Vorgang waren die Kupferacetat-Moleküle in das TiO₂ . gelangt Nanoröhren. Der nächste Schritt war das Einbringen der Proben in einen Atmosphären-Sinterofen von N₂ mit einer Sintertemperatur von 400 °C für 150 min. Das Kupfer(II)-acetat wurde wie in Gl. (1). Schließlich das Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heteroübergangsfilme wurden hergestellt. Dieser Vorgang wurde schematisch in Abb. 2 gezeigt.

Syntheseverfahren des Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Filme. a Schritt 1, anodisches TiO₂ NTAs. b Schritt 2, füllen Sie die Röhrchen mit Vorläuferlösung. c Schritt 3, die gefüllten Rohre bei 400 °C gesintert, um das Cu₂ . zu erhalten O-TiO₂ NTA-Heterojunction. d Chemische Reaktionsformel des Sinterprozesses

Genau wie beim Halten eines Reagenzglases mit Kupfer(II)-acetat zersetzt sich Kupfer(II)-acetat nach dem Erhitzen thermisch in Cu₂ O, das im TiO₂ . verblieb NTAs.

Charakterisierung

Zur Beobachtung der Morphologie und Struktur wurde ein Rasterelektronenmikroskop (REM, JSM-7000F, JEOL Inc., Japan) mit energiedispersivem Spektrometer (EDS) verwendet. Die Proben wurden mit einem D/max-2400-Röntgenbeugungsspektrometer (Rigaku, D/max-2400, Japan) charakterisiert und es wurde auch eine UV-Vis-Spektrometrie (Ultrospec 2100 pro) verwendet. Um die photokatalytische Aktivität des so synthetisierten Cu₂ . zu bewerten O-TiO₂ Als NTA-Heterojunction haben wir Methylorange (MO), einen typischen organischen Indikator, als degradiertes Objekt genommen. Die Cu₂ O-TiO₂ NTA-Filme (3,0 × 1,5 cm ² ) wurden in 5 × 10 ⁻⁵ . eingetaucht mol/l wässriger MO-Lösung und bestrahlt mit sieben sichtbaren 4 W Glühbirnen (Toshiba, Cool white, FL4W, Japan). Dann wurde die Lösung 30 min im Dunkeln magnetisch gerührt, um ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht vor dem photokatalytischen Abbau sicherzustellen. Photoabbauexperimente dauerten 180 min, wobei 1,5 ml Proben periodisch entnommen wurden. Die Konzentration des Rest-MO wurde mit einem Spektrophotometer bei ca. 460 nm nach dem Lambert-Beer-Gesetz gemessen. Die Abbaueffizienz des MO könnte wie folgt definiert werden:

Und das Variieren von A _t /A ₀ bezog sich auf die Änderung in C _t , die die photokatalytische Aktivität der getesteten Proben darstellt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 zeigt eine typische REM-Beobachtung des reinen anodischen TiO₂ NTAs nach dem Tempern bei 450 °C. Anodisieren ist ein elektrolytischer Prozess, der die äußere Oberfläche von Metallen in eine Oxidschicht oder Porenstruktur umwandelt. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das so hergestellte TiO₂ NTs weisen eine offene Röhrenmorphologie mit einer gleichmäßigen Außendurchmesserverteilung von 100 nm auf. Das anodische TiO₂ NTAs sind hochgeordnet und orientiert, und jedes einzelne TiO₂ NT besitzt sehr glatte Röhrenwände mit einer durchschnittlichen Dicke von ∼ 10 nm. Unsere früheren Studien haben gezeigt, dass die Rohrlänge, der Durchmesser und die Morphologie durch Anpassung der Anodisierungsprotokolle manipuliert werden können [37, 38]. Die REM-Ergebnisse zeigen auch, dass das thermische Glühen bei einer hohen Temperatur von 450 °C die Morphologien des TiO₂ . nicht zerstört NTAs. XRD wird verwendet, um das Kristallin des reinen TiO₂ . zu charakterisieren NTAs (Beispiel 1), siehe Abb. 4a. Die Ergebnisse zeigen, dass in Probe 1 Beugungspeaks bei 25,3 °, 36,9 °, 37,8 °, 48 °, 53,9 °, 55 °, 62,7 ° und 68,8 ° beobachtet werden konnten, was auf (101), (103), ( 004), (200), (105), (211), (204) bzw. (116) der Anatas-Phase. Wie wir wissen, gibt es drei Arten von Titandioxid-Phase, Anatas, Brookit und Rutil. Rutil konnte eine relativ gute photokatalytische Fähigkeit mit einer Körnigkeit von weniger als 10 nm aufweisen. Um jedoch eine Rutilphase zu erhalten, muss das TiO₂ Probe muss auf eine hohe Sintertemperatur von 800 °C erhitzt werden, was zum Bruch von TiO₂ . führen kann Röhren in diesem Fall. Die Brookit-Phase kann aufgrund der schlechten thermodynamischen Phasenstabilität kaum durch thermisches Ausheilen gebildet werden, während Anatas die häufigste Phase mit guter photokatalytischer Aktivität ist [39, 40]. Die scharfen Beugungspeaks und die starke Intensität von Probe 1 (siehe Abb. 4a) deuteten auf eine stark kristallisierte Anatas-Struktur hin, was bedeutete, dass unser TiO₂ Substrat war nicht nur in der Morphologie, sondern auch in der kristallinen Phase ausgezeichnet. Das hochgeordnete TiO₂ Als Substrat für die Herstellung von Cu₂ . wurden NTAs mit Open-Tube-Mund-Morphologie verwendet O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Filme in dieser Studie.

Typische REM-Bilder von reinem TiO₂ Nanoröhren-Arrays ohne Modifikation. a Ansicht von oben und b Seitenansicht, die die hochgeordnete vertikale Ausrichtungsstruktur mit offener Mündungsmorphologie anzeigt. Der Röhrendurchmesser beträgt ca. 100 nm und die Röhrenlänge beträgt ca. 10 µm

a XRD-Muster von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Proben. Probe S0:reines Anatas TiO₂ NTA-Probe; Proben S2, S4 und S5:thermisch zersetzte Probe mit Eintauchen in 0,1, 0,3 und 4 mol/L Cu(Ac)₂ Lösung bzw. b EDS-Ergebnis des Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heteroübergangsfilme, die die Existenz der Elemente Ti, Cu und O zeigen. Die Ergebnisse bestätigen die erfolgreiche Beladung von Cu₂ O auf dem TiO₂ NTAs

XRD-Muster des TiO₂ Mit Cu₂ . beladene NTAs O-Nanopartikel mit Konzentrationsgradienten im Bereich von 0,05 bis 4,0 mol/l sind auch in 4a gezeigt, und die 4,0 mol/l-Probe wurde durch einen zyklischen Tauchprozess hergestellt, der in zusätzlicher Datei 1, dem Teil „Experimentelle Details“ beschrieben ist. Die Proben wurden mit steigendem Cu(Ac)₂ . als Proben 2 bis 4 bezeichnet Konzentration. Außer dem TiO₂ Peaks, es gab keinen Peak von Cu₂ O erscheint in Probe 2 wegen der geringen Menge des geladenen Cu₂ O-Teilchen. Und Partikel könnten im Inneren des TiO₂ . dekoriert sein „Nano-Container“, was auch die Charakterisierung erschwerte. In Probe 3 und Probe 4 konnten deutliche Cuprit-Peaks bei 29,6°, 36,4°, 42,3° und 61,3° beobachtet werden, die dem Cuprit (110), (111), (200) und (220) von Cu<. zuzuschreiben sind sub>2 O bzw. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Probe 4 nur verwendet wurde, um die Existenz von Cu₂ . zu charakterisieren O-Partikel und ihre synthetischen Details wurden in Zusatzdatei 1 beschrieben. Außerdem wurden die Gitterparameter und die Korngröße basierend auf den XRD-Daten berechnet. Nach dem Entfernen des Hintergrunds und K_α2 Beugung, und nach dem Glättungs- und Anpassungsprozess erhalten wir die durchschnittlichen Gitterparameter unserer Proben von a = b = c = 4,2646 Å, was mit dem Standard-PDF übereinstimmte. Das Standard-PDF zeigte, dass die Gitterparameter von Cu₂ O sind:a = b = c = 4,2696 Å und Cu₂ O hatte eine kubische Struktur [41]. Die durchschnittliche Korngröße von Cu₂ O wurde mit ~ 47 nm berechnet, unter Verwendung der Debye-Scherrer-Formel:

In Gl. (3), D ist die Korngröße, K ist die Scherrer-Konstante, γ ist die Wellenlänge von Röntgenstrahlung, B ist FWHM, die im Bogenmaß sein muss, und θ ist der Beugungswinkel. XRD-Ergebnisse zeigen, dass Cu(Ac)₂ wurden in das TiO₂ . geladen NTAs und erfolgreich in Cu₂ . zerlegt O im gleichen TiO₂ NTAs und dann die Cu₂ O-TiO₂ Es wurden NTA-Heteroübergangsfilme gebildet. Um das Cu₂ . weiter zu untersuchen O-TiO₂ NTA-Heterojunction wurde eine Elementaranalyse unter Verwendung von EDS durchgeführt. Abbildung 4b zeigt ein EDS-Diagramm von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heteroübergangsfilm, der mit 0,2 mol/L Cu(Ac)₂ . hergestellt wurde . Die Atomprozentsätze betrugen 7,32, 28,96, 57,45 und 6,27% für die Elemente Cu, Ti, O und die Verunreinigung C. Dieses Ergebnis zeigte, dass der Cu₂ O besaß einen relativ geringen Gehalt in der Heterojunction-Probe, verursachte aber immer noch die sichtbare Lichtaktivität, die später im MO-Degradationsexperiment diskutiert wird. Die EDS-Ergebnisse stimmen gut mit den XRD-Ergebnissen in Abb. 4a überein, dass Cuprit Cu₂ O wurde erfolgreich zum Anatasen von NTAs geladen.

Abbildung 5 zeigt die REM-Ergebnisse der Draufsicht des modifizierten TiO₂ NTAs. Im Vergleich zu reinem TiO₂ NTA-Proben in Abb. 3, einige kleine Partikel waren in der Nähe der Ober- und Innenseite des TiO₂ . zu sehen Rohre in Abb. 5a. Mit zunehmender Modifikationsmenge konnte in Abb. 5b offensichtlich eine Reihe von Nanopartikeln beobachtet werden. Abbildung 5c ​​war Probe 4, die wir zuvor besprochen haben. Große Teile der Rohroberfläche waren mit dem redundanten Cu₂ . bedeckt 0, was darauf hinweist, dass Probe 4 überdekoriert war. Basierend auf den REM-Bildern ist die Größenverteilung von Cu₂ O-Partikel wurden im Bereich von ~ 30 bis ~ 80 nm geschätzt, was gut mit der XRD-berechneten Korngröße von ~ 47 nm übereinstimmt. Bei der Röhrenstruktur der drei Proben behielten sie immer noch den vertikalen Ausrichtungszustand bei, aber einige Röhren gingen ein wenig schief. Es wurde als Einfluss des thermischen Zersetzungsprozesses angesehen, der einen Erwärmungsprozess von 400 °C benötigt, um Cu(Ac)₂ . zu erhalten zerlegt in Cu₂ O. Eine hohe Temperatur im Zersetzungsschritt hatte einen negativen Einfluss auf die röhrenförmige Struktur, gestützt durch die REM-Bilder. Wenn die Heiztemperatur im thermischen Prozess jedoch zu niedrig auf 240 °C sinkt, wird Cu(CH₃ COO)₂ ·H₂ O würde einfach dehydriert, anstatt sich zu zersetzen. Daher sollte die Temperatur auf ~ 300 bis 400 °C kontrolliert werden, um die nanoskalige Röhrenstruktur zu erhalten und die Herstellung von Cu₂ . sicherzustellen O-TiO₂ NTA-Heterojunction. Daraus kann geschlossen werden, dass die Cu₂ O-TiO₂ Heteroübergang konnte gebildet werden, und die Morphologie blieb gut, wenn die Zersetzung bei 400 °C stattfand.

Typische REM-Aufnahmen von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Filme. a Probe eingetaucht in 0,2 mol/L Cu(Ac)₂ . b Probe eingetaucht in 0,3 mol/L Cu(Ac)₂ . c Probe eingetaucht in Cu(Ac)₂ von zu hoher Konzentration

Die Cu₂ O-Nanopartikel wurden auf TiO₂ . geladen NTAs zur Herstellung des Heteroübergangs, von dem erwartet wurde, dass er die Lichtempfindlichkeit im sichtbaren Lichtbereich verbessert, daher wurde die UV-Vis-Charakterisierung angewendet, um die optischen Eigenschaften des so synthetisierten Cu₂ . zu untersuchen O-TiO₂ NTAs. Abbildung 6a zeigt die UV-Vis-Absorptionsspektren von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Proben mit Cu₂ O-beladene Größe steigt von keiner auf 4,0 mol/L. In Abb. 6a ist zu sehen, dass das reine TiO₂ NTAs ohne Cu₂ . zu laden O zeigte aufgrund seiner intrinsischen Materialeigenschaften nur im ultravioletten Bereich (< 380 nm) eine hohe Absorption. Nach dem Laden des Cu₂ O-Partikel wurde der Absorptionsbereich auf 600–700 nm erweitert. Und wenn die Intensität mit der Erhöhung des Cu₂ . zunimmt O-Modifikationsgröße, der Absorptionswert von Cu₂ O-TiO₂ Heterojunction-Filme wurden ebenfalls erhöht. Abbildung 6a zeigt, dass TiO₂ NTAs erhielten die Fähigkeit, auf sichtbares Licht zu reagieren, indem sie Cu₂ . dekorierten O Nanopartikel. UV-Vis-Ergebnisse zusammen mit REM-, EDS- und XRD-Ergebnissen bewiesen, dass die Cu₂ O-TiO₂ Der NTA-Heteroübergang wurde erfolgreich durch das thermische Zersetzungsverfahren hergestellt, und die Proben zeigten eine verbesserte Absorption von sichtbarem Licht.

a UV-Vis-Spektren des Cu₂ O-TiO₂ NTAs und Absorption werden auf den sichtbaren Lichtbereich ausgedehnt und mit der Beladungsmenge von Cu₂ . erhöht O. b Photokatalytische Abbaukinetik von MO mit sichtbarem Licht, behandelt durch die Heteroübergangsfilme mit unterschiedlichem Cu₂ O Inhalt. Wenn Dekorationsgröße von Cu₂ O auf TiO₂ NTAs erhöht, die MO-Zersetzungseffizienz unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht erhöht. Probe S0 bezogen auf reines TiO₂ Film und Probe S1–S5 waren die in Cu(Ac)₂ . eingetauchten Proben Lösung mit den Konzentrationen 0,05, 0,1, 0,2, 0,3 bzw. 4 mol/L

Photokatalytische Aktivitäten, eine der wichtigsten Eigenschaften von Cu₂ O-TiO₂ NTA-Filme wurden durch Abbau von wässriger MO-Lösung bewertet. Die photokatalytische Abbaukinetik mit sichtbarem Licht ist in Abb. 6b gezeigt. Die MO-Abbaurate war proportional zur Beladungsmenge von Cu₂ O ungefähr. Je mehr Cu₂ O-Partikel wurden auf TiO₂ . geladen NTAs, das schnellere MO wurde abgebaut. Probe S1 baute MO in 3 h unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf 91,0 % ab, während Probe S4 unter denselben Bedingungen MO in 3 h auf 86,4 % abbaute. Die MO-Abbaurate repräsentiert die photokatalytische Aktivität der Proben. Vergleich mit der photokatalytischen Abbaurate von ~ 2,73 % von CdTe-TiO₂ durch ein pulselektrolytisches Verfahren [29], ~ 45% von Bi₂ O₃ durch eine ultraschallunterstützte sukzessive Ionenschicht-Adsorptions- und Reaktionstechnik (SILAR) [32], und ~ 27,25 % von Cu₂ O durch ein Rechteckwellen-Voltammetrieverfahren [33], Photoaktivität dieses so synthetisierten Cu₂ O-TiO₂ Probe war verbesserungswürdig. Als einfache neue Strategie führte sie jedoch immer noch dazu, das Herstellungsverfahren zu verbessern. Wenn das Cu₂ O-Beladungsmenge stieg, es gab einen Trend, dass die photokatalytische Aktivität unseres so synthetisierten Cu₂ O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Filme erhöht. Es zeigte das Cu₂ . an Der O-Gehalt hatte einen positiven Einfluss auf die photokatalytische Aktivität im sichtbaren Licht. TiO₂ selbst reagierte nur auf Ultraviolett, und die photokatalytische Fähigkeit im sichtbaren Lichtbereich sollte von der Dekoration von Cu₂ . herrühren O. Wie in Fig. 7 gezeigt, die Unterseite des Leitungsbandes von Cu₂ O war etwas höher als das von TiO₂ , während die Valenzbandspitze von Cu₂ O war höher als das von TiO₂ . Die photoinduzierten Elektronen wurden also in das Leitungsband von Cu₂ . angeregt O und dann auf das Leitungsband von TiO₂ . übertragen . Als Direct-Gap-Halbleiter, Wellenvektor von Cu₂ O war am unteren Ende des Leitungsbandes und am oberen Ende des Valenzbandes gleich. Das bedeutete, dass statt der Impulsänderungen nur die Energieänderungen erforderlich waren. Diese Energiebandstruktur führte dazu, dass Träger leicht rekombinieren. Aufgrund der Heteroübergangsstruktur können die photogenerierten Elektronen auf Cu₂ . jedoch O wird auf TiO₂ übertragen NTAs, die die Rekombination von Elektron/Loch-Paaren unterdrückten. Je länger die Paare existierten, desto leichter wurden die ROS erzeugt, die diese photokatalytische Aktivität mit sich brachten. Je mehr Cu₂ O geladen auf TiO₂ NTAs, die Heterojunction besser hergestellt. Und die photokatalytische Fähigkeit wurde gefördert. Also das Cu₂ Der O-Gehalt zeigte einen positiven Einfluss der photokatalytischen Aktivität im sichtbaren Licht. Jedoch weiterer Anstieg von Cu₂ Der O-Gehalt sowie die photokatalytische Fähigkeit sind aufgrund der Löslichkeit von Cu(Ac)₂ . begrenzt in wässriger Lösung, die bei Raumtemperatur 7,2 g (0,36 mol/l) betrug. Und Probe S5 mit Cu(Ac)₂ Eine Konzentration von 4,0 mol/l wird durch ein zyklisches Eintauchen hergestellt, das in zusätzlicher Datei 1, dem Teil experimentelle Details beschrieben ist. Der photokatalytische Abbau des MO folgte einer Kinetik pseudoerster Ordnung [42] und die kinetische Reaktion konnte wie folgt ausgedrückt werden:

Bandlückenstruktur von Cu₂ O und TiO₂ vor (links) und nach (rechts) Kontakt. Wenn das Cu₂ O-TiO₂ Heteroübergang wird gebildet, die Elektron/Loch-Paare photogeneriert auf Cu₂ O könnte zu TiO₂ . übergehen NTAs

Unsere Degradationskurve zeigte zwar fast eine gerade Linie, ist aber keine Exponentialfunktion. Es gab also noch Raum für Verbesserungen. Und die Löslichkeitsgrenze könnte durch das zuvor erwähnte wiederholte Eintauchen durch weitere Untersuchungen des Cu(Ac)₂ . durchbrochen werden Konzentration und Wiederholungszeiten, um Nebenwirkungen zu vermeiden. Da wir uns in dieser Studie mit dieser thermischen Zersetzungsmethode beschäftigten und versuchten, sie zu veranschaulichen, haben wir nur 0,3 mol/L (nahe der Löslichkeit von 0,36 mol/L) als maximale Konzentration von Cu(Ac)_{2<. genommen /sub> Lösung. Und die photokatalytische Aktivität unseres so synthetisierten Heteroübergangs im sichtbaren Lichtbereich wurde durch die Ergebnisse des MO-Abbaus bestätigt. Unsere vorherige Studie ergab, dass Degussa P25 ähnliche ultraviolette photokatalytische Aktivitäten wie TiO2 . aufwies NTAs, wenn die Leistung P25 auf einem Glassubstrat platziert wurde [28]. Daraus kann geschlossen werden, dass wir Cu2 . erfolgreich hergestellt haben O-TiO2 NTA-Heterojunction-Filme mit photokatalytischen Aktivitäten im sichtbaren Licht.}

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir Cu₂ . erfolgreich vorbereitet O-TiO₂ NTA-Heteroübergangsfilme durch einen einfachen thermischen Zersetzungsprozess. REM-, EDS- und XRD-Ergebnisse zeigen, dass TiO₂ NTAs mit einem Röhrendurchmesser von ~ 100 nm wurden mit Cu₂ . beladen O-Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von ~ 50 nm. Das anodische TiO₂ NTAs fungierten sowohl als „Nano-Container“ als auch als „Nano-Reaktoren“, um das schmalbandige Cu₂ . zu laden und zu synthetisieren O Nanopartikel, über die noch nie zuvor berichtet wurde. UV-Vis-Spektren zeigen, dass der Absorptionsbereich des TiO₂ NTAs wurden aufgrund der Beladung mit Cu₂ . vom ultravioletten Bereich zum sichtbaren Lichtbereich erweitert O. Photokatalytische Tests ergaben eine photokatalytische Aktivität des so synthetisierten Cu₂ . mit sichtbarem Licht O-TiO₂ Heteroübergang. Die photokatalytischen Fähigkeiten des Cu₂ O-TiO₂ Es wurde festgestellt, dass NTA-Heterojunction-Filme mit Cu₂ . erhöht wurden O-Gehalt von 0,05 bis 0,3 mol/L. Unsere aktuelle Arbeit hat eine neuartige und einfache Methode zur Herstellung von Cu₂ . gezeigt O-TiO₂ NTA-Heterojunction-Filme, die auch für umwelt- und energiebezogene Bereiche vielversprechend sein könnten.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Spektrometrie

NTAs:

Nanoröhren-Arrays

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung