Herstellung von Ag3PO4/TiO2-Heterostrukturen des Z-Schemas zur Verbesserung der sichtbaren photokatalytischen Aktivität

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird eine synthetische Studie des zusammengesetzten Ag₃ PO₄ /TiO₂ Photokatalysator, synthetisiert durch ein einfaches zweistufiges Verfahren, durchgeführt wird. In dieser Forschung wurden ergänzende Charakterisierungswerkzeuge wie Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und UV-Vis-Spektroskopie mit diffuser Reflexion eingesetzt . Die Ergebnisse zeigten, dass hochkristalline und gute Morphologie beobachtet werden können. Im Experiment zur photokatalytischen Leistung wurde TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ zeigt die beste photokatalytische Aktivität, und die photokatalytische Abbaurate erreichte nach 25 min Bestrahlung fast 100%. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ ist der größte, der 0,02286 min⁻¹ . beträgt , doppelt so hoch wie Ag₃ PO₄ und das 6,6-fache des Mindestwertes von TiO₂ 400. Der Abbaueffekt von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ zeigt nach viermaligem Recycling des Photokatalysators eine gute Stabilität. Einfangexperimente für die aktive katalytische Spezies zeigen, dass die Hauptfaktoren Löcher sind (h⁺ ) und Superoxidanionen (O·− 2), während das Hydroxylradikal (·OH) teilweise den Abbau spielt. Auf dieser Grundlage ein Z -schematischer Reaktionsmechanismus von Ag₃ PO₄ /TiO₂ heterogene Struktur wird vorgestellt und ihr Abbaumechanismus wird erläutert.

Hintergrund

Halbleiter-Photokatalysatoren haben aufgrund der umfassenden Verwendung beim Abbau organischer Schadstoffe und in Solarzellen zunehmendes Interesse auf sich gezogen [1,2,3,4,5,6]. Als Vertreter der halbleiterbasierten Photokatalysatoren ist TiO₂ wurde wegen seiner hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften intensiv untersucht [7, 8]. Das reine TiO₂ Photokatalysator hat in praktischen Anwendungen gewisse Nachteile, wie zum Beispiel seine große Bandlücke (3,2 eV für Anatas und 3,0 eV für Rutil), was zu einer schlechten sichtbaren Reaktion führt.

Eine Verbindung auf Silberbasis wie Ag₂ O, AgX (X =Cl, Br, I), Ag₃ PO₄ , Ag₂ CrO₄ , wurden kürzlich für photokatalytische Anwendungen verwendet [9,10,11,12]. Unter anderem Silberorthophosphat (Ag₃ PO₄ ) hat bereits viele Forscher auf sich aufmerksam gemacht, weil Ag₃ PO₄ hat eine Bandlücke von 2,45 eV und eine starke Absorption bei weniger als 520 nm. Die Quantenausbeute von Ag₃ PO₄ liegt bei über 90 %. Es ist ein guter Photokatalysator für sichtbares Licht. Aufgrund der Bildung von Ag⁰ auf der Oberfläche des Katalysators (4Ag₃ PO₄ + 6H₂ O + 12h⁺ + 12e⁻ → 12Ag⁰ + 4H₃ PO₄ + 3O₂ ) während der photokatalytischen Reaktion, die Wiederverwendung von Ag₃ PO₄ ist ein großes Problem. Daher ist es gängige Praxis, die photokatalytische Korrosion von Ag₃ . zu reduzieren PO₄ und gewährleisten eine gute katalytische Aktivität von Ag₃ PO₄ . Basierend auf der Literaturpräzedenz ist bekannt, dass das Compoundieren die photokatalytische Leistung beider Halbleitermaterialien effektiv verbessern kann. Nach dem Compoundieren wird der Trenneffekt von photogenerierten Elektronen und Löchern verstärkt, was zur Erhöhung der photokatalytischen Aktivität von Verbundmaterialien beiträgt. Zahlreiche Forscher haben Heterojunctions wie Bi₂ . untersucht O₃ -Bi₂ WO₆ , TiO₂ /Bi₂ WO₆ , ZnO/CdSe und Ag₃ PO₄ /TiO₂ [2, 13,14,15]. Im Vergleich zu einphasigen Photokatalysatoren können Heteroübergangs-Photokatalysatoren den Lichtempfindlichkeitsbereich durch Kopplung angepasster elektronischer Strukturmaterialien erweitern. Und aufgrund des synergistischen Effekts zwischen den Komponenten kann die Ladung auf viele Arten übertragen werden, um die photokatalytische Aktivität des Heteroübergangs weiter zu verbessern.

Basierend auf der obigen Analyse, Ag₃ PO₄ -basierte Halbleiterverbundwerkstoffe mit synergistischem Verstärkungseffekt wurden entwickelt, um Ladungsträgerrekombinationsdefekte und Ag₃ . zu verbessern PO₄ -basierte katalytische Leistung von Halbleiterverbundstoffen. In diesem Artikel wird TiO₂ . in Nanogröße wurde durch Solvothermalmethode hergestellt, und dann die Nanopartikel von TiO₂ 400 wurden auf der Oberfläche von Ag₃ . abgeschieden PO₄ bei Raumtemperatur, um TiO₂ . zu erhalten /Ag₃ PO₄ Verbundstoffe. Die photokatalytische Aktivität von TiO₂ /Ag₃ PO₄ Komposit wurde mit RhB-Farbstoff (Rhodamin B) getestet.

Methoden

Hydrothermale Herstellung von TiO in Nanogröße₂

0,4 µg P123 wurden zu einer gemischten Lösung gegeben, die 7,6 ml absolutes Ethanol und 0,5 µl entionisiertes Wasser enthielt, und gerührt, bis P123 vollständig gelöst war. Die geklärte Lösung wurde als A-Lösung gekennzeichnet. Dann wurde eine gemischte Lösung aus 2,5 µl Butyltitanat (TBOT) und 1,4 µl konzentrierter Salzsäure (12 µmol/L) hergestellt und als B-Lösung gekennzeichnet. Die Lösung B wurde tropfenweise zu Lösung A gegeben. Nach 30 min Rühren wurden 32 ml Ethylenglykol (EG) zu der Lösung gegeben und 30 min gerührt. Dann wurde die Lösung 24 Stunden lang bei 140 °C, hoher Temperatur und hohem Druck in einen Ofen gegeben. Natürliche Kühlung, Zentrifugalwäsche, Separation, Sammlung von Sedimenten und Trocknen bei 80 ° C Ofen für 8 Stunden. Der weiße Niederschlag wurde im Muffelofen bei verschiedenen Temperaturen (300°C, 400°C, 500°C) kalziniert und als Standby von TiO₂ . markiert 300, TiO₂ 400 und TiO₂ 500 bzw.

Vorbereitung von TiO₂ /Ag₃ PO₄ Fotokatalysator

Die 0,1 g TiO₂ Pulver wurde zu der 30-ml-Silbernitratlösung mit 0,612 g AgNO₃ . gegeben und dann 30 min mit Ultraschall behandelt, um TiO₂ . herzustellen gleichmäßig verteilt. Wir fügten eine 30-ml-Lösung mit 0,43 g Na₂ . hinzu HPO₄ .12H₂ O und rührte 120 min bei Umgebungstemperatur. Durch Zentrifugieren, Reinigen mit entionisiertem Wasser und wasserfreiem Ethanol wurden die Niederschläge abgetrennt, gesammelt und bei 60 °C getrocknet. Die Produkte wurden als TiO₂ . bezeichnet 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO_4, und TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ , bzw. Ag₃ PO₄ wurde ohne Zugabe von TiO₂ . hergestellt unter den gleichen Bedingungen wie der obige Prozess.

Charakterisierung

Die Röntgenbeugungsmuster (XRD) der resultierenden Proben wurden auf einem D/MaxRB-Röntgendiffraktometer (Japan) mit einem 35 kV Cu-Ka mit einer Abtastrate von 0,02° s^{-1<. durchgeführt /sup>
, im Bereich von 10 bis 80°. Rasterelektronenmikroskopie (SEM), JEOL, JSM-6510 und JSM-2100 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Anordnung mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) wurden verwendet, um ihre Morphologie bei 10-kV-Beschleunigungsspannung zu untersuchen. Die Informationen der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurden unter Verwendung eines ESCALAB 250-Elektronenspektrometers unter 300-W-Cu-Kα-Strahlung gesammelt. Der Basisdruck betrug etwa 3 × 10⁻⁹
. mbar, Kombinieren, um sich auf die C1s-Linie bei amorphem Kohlenstoff 284.6 eV zu beziehen.}

Messung der photokatalytischen Aktivität

Die photokatalytische Leistung von TiO₂ /Ag₃ PO₄ Katalysatoren wurde unter Verwendung des Photoabbaus von RhB in wässriger Lösung als Forschungsobjekt getestet. Fünfzig Milligramm des Photokatalysators wurden mit 50 ml wässriger RhB-Lösung (10 mg L⁻¹ ) und vor dem Belichten eine gewisse Zeit im Dunkeln gerührt, um ein Adsorptionsgleichgewicht zu gewährleisten. Im Reaktionsprozess wird Kühlwasser verwendet, um die Systemtemperatur konstant auf Raumtemperatur zu halten. Eine 1000-W-Xenon-Lampe liefert Beleuchtung, um sichtbares Licht zu simulieren. Zur Charakterisierung der Konzentration (C ) Änderung der RhB-Lösung bei λ = 553 nm. Die Entfärbungsrate wird als Funktion der Zeit vs. C . angegeben _t /C ₀ . Wo C ₀ ist die Konzentration vor der Beleuchtung und C _t ist die Konzentration nach der Beleuchtung. Gebrauchte Katalysatoren wurden gesammelt, um die Zyklenstabilität der Katalysatoren nachzuweisen. Das Experiment wurde viermal wiederholt.

Ergebnisse und Diskussion

Die XRD-Analyse wird verwendet, um die Phasenstruktur und den kristallinen Typ des Katalysators zu bestimmen. Die XRD-Spektren der hergestellten Katalysatoren sind in Abb. 1 gezeigt, einschließlich TiO₂ . 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ /Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ . Aus der Abbildung ist zu entnehmen, dass die Kristallstruktur von TiO₂ 400 ist Anatas (JCPDS Nr. 71-1166). In den XRD-Spektren von Ag₃ PO₄ , die bei 20,9°, 29,7°, 33,3°, 36,6°, 47,9°, 52,7°, 55,1°, 57,4°, 61,7° und 72,0° lokalisierten Beugungspeaks zu den charakteristischen Peaks von (110), (200), (210), (211), (310), (222), (320), (321), (400) und (421) Ebenen von Ag₃ PO₄ (JCPDS Nr. 70-0702). Die synthetisierten Komposit-Photokatalysatoren zeigten charakteristische Peaks, die mit TiO₂ . übereinstimmen und Ag₃ PO₄ , und die charakteristischen Peaks von TiO₂ waren 25,3° am zusammengesetzten TiO₂ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ , die mit der Kalzinierungstemperatur von TiO₂ . übereinstimmte steigt die Kristallinität von TiO₂ wird höher.

Die XRD-Muster der so vorbereiteten Proben

Abbildung 2 zeigt die SEM-, TEM- und EDX-Diagramme der Katalysatoren von TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Abbildung 2a ist die sphärische Nanostruktur TiO₂ 400 hergestellt durch solvothermales Verfahren mit einem Durchmesser im Bereich von 100 bis 300 nm. Abbildung 2b ist das Ag₃ PO₄ Kristall mit regelmäßiger Hexaederstruktur. Seine Partikelgröße reicht von 0,1 bis 1,5 µm und hat eine ziemlich glatte Oberfläche. Abbildung 2c ist das SEM-Bild des zusammengesetzten TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Es ist zu erkennen, dass die Nanopartikel von TiO₂ 400 werden auf der Oberfläche von Ag₃ . abgeschieden PO₄ . Die Morphologie von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ wurde mit TEM und dem TEM-Diagramm von TiO₂ . weiter untersucht 400/Ag₃ PO₄ wird in Fig. 2d angezeigt. Es kann beobachtet werden, dass 200 nm Nano-TiO₂ Partikel haften an der Oberfläche von Ag₃ PO₄ . Abbildung 2e ist das HRTEM von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Es kann festgestellt werden, dass TiO₂ Partikel sind eng an Ag₃ . gebunden PO₄ , und der Gitterabstand von TiO₂ 400 und Ag₃ PO₄ sind 0,3516 bzw. 0,245 nm, entsprechend (101) und (211) Oberflächen von TiO₂ und Ag₃ PO₄ . Abbildung 2f ist das EDX-Diagramm von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Es ist ersichtlich, dass die Probe aus vier Elementen besteht:Ti, O, Ag und P. Der offensichtliche Beugungspeak des Kupferelements wird von der EDX-Anregungsquelle Cu Ka erzeugt. EDX bestätigte die entsprechenden chemischen Elemente von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Zusammenfassend kann eindeutig festgestellt werden, dass TiO₂ wird auf die Oberfläche von Ag₃ . geladen PO₄ Kristalle in körniger Form und hat eine gute Hexaeder-Morphologie.

REM-Bilder von präparierten Photokatalysatoren:a TiO₂ 400, b Ag₃ PO₄ , c TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , d TEM-Bild von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , e HRTEM-Bild von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und f entsprechendes EDX-Muster von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄

Das Produkt Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wird in Abb. 3 untersucht. Abb. 3a ist das Übersichts-XPS-Spektrum des Produkts. Die fünf Elemente Ti, O, Ag, P und C können im Graphen beobachtet werden, von denen C die Basis ist, was impliziert, dass der Verbund mit TiO₂ . koexistierte und Ag₃ PO₄ . Abbildung 3b ist das hochauflösende Spektrum von Ag 3d. Die beiden Hauptpeaks zentrierten bei den Bindungsenergien 366,26 eV und 372,29 eV, die Ag 3d5/2 bzw. Ag 3d3/2 zugeordnet wurden. Es zeigt, dass Ag hauptsächlich Ag⁺ . ist im Photokatalysator von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ [16]. Abbildung 3c zeigt den XPS-Peak von P 2p, der P⁵⁺ . entspricht im PO₄ ³⁺ Struktur bei 131,62 eV. Zwei Peaks bei 457,43 eV und 464,58 eV können Ti 2p3/2 und Ti 2p1/2 im XPS-Spektrum des Ti 2p-Orbitals zugeschrieben werden (Abb. 3d). Abbildung 3e ist die XPS von O 1s. Der gesamte Peak kann in drei charakteristische Peaks unterteilt werden, 528,9 eV, 530,2 eV und 532,1 eV. Die Peaks bei 528,9 eV und 530,2 eV werden Sauerstoff in Ag₃ . zugeschrieben PO₄ und TiO₂ Gitter bzw. Die Peaks bei 532,1 eV zeigen Hydroxyl oder den an der Oberfläche von TiO₂ . adsorbierten Sauerstoff an /Ag₃ PO₄ . Die Ergebnisse der XPS-Analyse beweisen weiter, dass Ag₃ PO₄ und TiO₂ wurden zusammengesetzt.

XPS-Spektrum von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ :a Umfrage-Scan, b Ag 3d, c P 2p, d Ti 2p und e O1s

Die UV-Vis-Absorptionsspektren der diffusen Reflexion der Katalysatoren von TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ sind in Abb. 4a ausgestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Grenzwellenlängen der optischen Absorption von TiO₂ 400 und Ag₃ PO₄ sind 400 bzw. 500 nm. Wenn Ag₃ PO₄ wird auf TiO₂ . geladen 400 erweitert sich der Lichtabsorptionsbereich des Komposits offensichtlich auf 500–700 nm, was auf eine Wechselwirkung zwischen Ag₃ . hinweist PO₄ und TiO₂ 400 im Verbundsystem von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und der Mechanismus muss weiter untersucht werden. Bandbreite von Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400 und TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ Katalysatoren wird mit der Kubelka-Munk-Formel [17] berechnet:

$$ A\mathrm{hv}=c{\left(\mathrm{hv}-\mathrm{zB}\right)}^n $$

TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ Katalysatoren:a UV-Vis-DRS, b Plots von (α hv)^1/2 gegen Energie (hv)

wo A , hv, c , und Eg sind der Absorptionskoeffizient, die einfallende Photonenenergie, die Absorptionskonstante bzw. die Bandlückenenergie. Der Wert von n für direkte Halbleiter ist 1/2 und für indirekte Halbleiter ist 2. Anatas TiO₂ und Ag₃ PO₄ sind indirekte Halbleiter, also n dauert 2.

Die Plots mit (α hv)^1/2 gegen die einfallende Photonenenergie (hv) aus Fig. 4b zeigt die Bandlücken-Energiediagramme (Eg) von Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400 und TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ Katalysatoren sind 2,45 eV, 3,1 eV bzw. 2,75 eV. Dies beweist weiter, dass TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ ist ein guter Photokatalysator für sichtbares Licht mit geeigneter Bandlückenbreite und Einfangfähigkeit für sichtbares Licht.

Photokatalytischer Abbau von RhB durch TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ wurde in Abb. 5a untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass reines TiO₂ 400 hatte die schlechteste photokatalytische Wirkung, und die photokatalytische Abbaurate betrug innerhalb von 25 min nur 30%. Die photokatalytische Abbaueffizienz von reinem Ag₃ PO₄ betrug 69% nach 25 Minuten Bestrahlung. Die photokatalytische Abbaurate von TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ 40 % nach 25 min erreicht. Die photokatalytische Abbaurate von TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ betrug 80 % nach 25 Minuten Bestrahlung. Die beste photokatalytische Aktivität war TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und 100 % des RhB wurden nach 25 min Beleuchtung abgebaut.

a Effekte verschiedener Katalysatoren auf den photokatalytischen Abbau von RhB unter sichtbarem Licht. b Kinetische Anpassungsdiagramme erster Ordnung des photokatalytischen Abbaus von RhB mit verschiedenen Katalysatoren. c Radtouren von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . d Fangversuche aktiver Arten

Abbildung 5b untersuchte das Kinetikmodell des photokatalytischen Abbaus von RhB. Aus der Abbildung wurde der Photoabbau von RhB der Kinetik pseudoerster Ordnung und der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante (k ) wurde mit der Steigung der Anpassungskurven berechnet. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante (k )-Werte jeder Probe sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten von TiO₂ 400, Ag₃ PO₄ , TiO₂ 300/Ag₃ PO₄ , TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ , und TiO₂ 500/Ag₃ PO₄ waren 0,00345 min⁻¹ , 0,01148 min⁻¹ , 0,00525 min⁻¹ , 0,02286 min⁻¹ , und 0,01513 min⁻¹ , bzw. Die Probe TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ hat die größte Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, nämlich 0,02286 min⁻¹ , doppelt so hoch wie Ag₃ PO₄ und das 6,6-fache des Mindestwertes von TiO₂ 400. Dies weist darauf hin, dass die Kombination von Ag₃ PO₄ und TiO₂ kann erheblich zur Verbesserung von Ag₃ . beitragen PO₄ photokatalytische Aktivität.

Abbildung 5c ist das Ergebnis des Stabilitätstests des viermaligen Abbaus der RhB-Lösung durch das Recycling von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ . Die Abbauwirkung von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ zeigt eine gute Stabilität bei viermaligem Recycling und im vierten Zyklusexperiment den Abbaueffekt von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ war etwas höher als im dritten Zyklus. Dies kann auf die Bildung von Verbundmaterial zwischen Ag₃ . zurückzuführen sein PO₄ und TiO₂ um den photogenerierten Elektron-Loch-Paar-Transfer und die In-situ-Bildung einer kleinen Menge Ag in Ag₃ . zu beschleunigen PO₄ während der Photokatalyse, um weitere Photokorrosion zu verhindern.

Die Ergebnisse von TiO₂ /Ag₃ PO₄ Einfangfaktoren sind in Fig. 5d gezeigt. Nach Zugabe des Einfangmittels IPA nahm die Abbauaktivität teilweise ab. Wenn BQ und TEOA hinzugefügt wurden, nahm der Abbaugrad von RhB signifikant ab, sogar nahe 0. Daher können wir folgern, dass die Hauptfaktoren Löcher sind (h⁺ ) und Superoxidanionen (O·− 2), während das Hydroxylradikal (·OH) einen teilweisen Abbau spielt.

Ein möglicher photokatalytischer Abbaumechanismus des Z-Schemas wurde in Schema 1 vorgeschlagen, um den photokatalytischen Abbau von RhB durch TiO₂ . zu erweitern /Ag₃ PO₄ basierend auf Experimenten zum Einfangen freier Radikale und zum Photoabbau. Die Bandlücke von Ag₃ PO₄ beträgt 2,45 eV und sein E _CB und E _VB das Potential beträgt ca. 0,45 eV bzw. 2,9 eV (gegen NHE) [18]. Wie in Schema 1 gezeigt, wird unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht Ag₃ PO₄ wird durch Photonen mit einer Energie größer als ihre Bandlücke stimuliert, um photogenerierte Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Die verbleibenden Löcher im Valenzband von Ag₃ PO₄ in das Valenzband von TiO₂ . gewandert und nahm dann direkt am RhB-Oxidations- und -Zersetzungsprozess teil, der an der Oberfläche von TiO₂ . adsorbiert wurde . Gleichzeitig wird während der Wanderung photogenerierter Löcher das H₂ O und OH⁻ an der Verbundstoffoberfläche adsorbiert, kann auch oxidiert werden, um ·OH zu bilden, und das stark oxidierende ·OH kann Schadstoffe weiter oxidieren und abbauen. Dies ist hauptsächlich auf die Energie von Löchern im Valenzband von Ag₃ . zurückzuführen PO₄ das ist 2.9 eV, höher als die potentielle Reaktionsenergie von OH⁻ /OH (E(OH⁻ /OH) = 1,99 eV (gegen NHE)). Das Leitungspotential von Ag₃ PO₄ beträgt 0,45 eV, die Energie der photogenerierten Elektronen beträgt 0,45 eV und die Aktivierungsenergie des Einzelelektronensauerstoffs beträgt E(O₂ /O·− 2) = 0.13 eV (gegen NHE). Die photogenerierten Elektronen auf Ag₃ PO₄ Leitungsband kann nicht von gelöstem Sauerstoff eingefangen werden. Mit der Ansammlung photogenerierter Elektronen auf Ag₃ PO₄ leitfähiges Band, eine kleine Menge von Ag-Nanopartikeln wurde aufgrund der photokatalytischen Korrosion von Ag₃ . gebildet PO₄ Photokatalysator. Die gebildeten Ag-Nanopartikel können auch durch Lichtenergie stimuliert werden, um photogenerierte Elektron-Loch-Paare zu bilden. Dann wanderten die Elektronen in das Leitungsband von TiO₂ , während die auf den Ag-Nanopartikeln verbliebenen Löcher mit den photogenerierten Elektronen verbunden werden können, die auf dem Leitungsband von Ag₃ . erzeugt werden PO₄ , wodurch die weitere Korrosion von Ag₃ . verhindert wird PO₄ Photokatalysator. Aufgrund der verbotenen Bande von TiO₂ 3,1 eV beträgt, kann unter sichtbarem Licht nicht angeregt werden und das E _CB und E _VB sind ca. − 0,24 eV bzw. 2,86 eV (gegen NHE). In TiO₂ . injizierte Elektronen Das Leitungsband kann Schadstoffe abbauen, indem es den auf dem TiO₂ . adsorbierten Sauerstoff einfängt Oberfläche. Dies liegt hauptsächlich an dem E _CB = − 0.24 eV (gegen NHE), was negativer ist als E(O₂ .) /O·- 2) = 0,13 eV (gegen NHE). Die Ergebnisse stimmen mit den Einfangversuchen überein. Die Hauptfaktoren sind Löcher (h⁺ ) und Superoxidanionen (O·-2), während das Hydroxylradikal (·OH) teilweise den Abbau spielt.

Schematische Darstellung des photokatalytischen Mechanismus von TiO₂ /Ag₃ PO₄

Basierend auf der obigen Diskussion ist die Abbaureaktion von TiO₂ /Ag₃ PO₄ wird durch die chemische Gleichung wie folgt ausgedrückt:

Erzeugung von Photoelektronenlochpaaren:

$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{hv}\to {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}} _4\left({\textrm{e}}^{-}\right)+{\textrm{Ag}}_3\textrm{P}{\textrm{O}}_4\left({\textrm{h}} ^{+}\right) $$$$ {\mathrm{Ag}}^{+}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm {e}}^{-}\right)\to \mathrm{Ag}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4 $$$$ \mathrm{Ag}+ \mathrm{hv}\to \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\ richtig) $$

Migration und Transformation photogenerierter Lochelektronenpaare:

$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+\mathrm{Ti}{\mathrm{ O}}_2\to\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P} {\mathrm{O}}_4 $$$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{e}}^{-}\right) +\mathrm{Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\right)\nach \mathrm{Ag}+{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O} }_4 $$$$ \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{Ti}{ \mathrm{O}}_2\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ag} $$$$ \mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left( {\mathrm{e}}^{-}\right)+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{Ti}{\mathrm{O }}_2 $$$$ {\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+0{\mathrm {H}}^{-}\to \mathrm{OH}\cdotp +{\mathrm{Ag}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4 $$

Schadstoffabbau:

$$ \mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Abbau}\ \mathrm{Produkt }+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O} $$$$ {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Abbau}\ \mathrm{Produkt}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O} $$$$ \mathrm{OH}\cdotp +\mathrm{RhB }\to \mathrm{Abbau}\ \mathrm{Produkt}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O}+{\mathrm{Cl}}^{-} $ $

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine umfassende Untersuchung des zusammengesetzten Ag₃ PO₄ /TiO₂ Photokatalysator, hergestellt durch ein einfaches zweistufiges Verfahren, wird vorgestellt. Ergänzende Charakterisierungswerkzeuge wie Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), X -Strahlen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und UV-Vis-Spektroskopie mit diffuser Reflexion (DRS) wurden in dieser Studie verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass das zusammengesetzte Ag₃ PO₄ /TiO₂ Photokatalysator ist hochkristallin und hat eine gute Morphologie. Für Ag₃ PO₄ /TiO₂ Abbau von RhB, TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ zeigt die höchste photokatalytische Aktivität. Nach 25 Minuten Reaktionszeit erreichte die photokatalytische Abbaurate fast 100 %. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante von TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ ist 0,02286 min⁻¹ , das doppelt so hoch ist wie Ag₃ PO₄ und das 6,6-fache des Mindestwertes von TiO₂ 400. Das TiO₂ 400/Ag₃ PO₄ weist auch nach viermaligem Recycling eine gute Stabilität auf. Die wichtigsten aktiven katalytischen Spezies sind Löcher (h⁺ ) und Superoxidanionen (O·− 2), während das Hydroxylradikal (·OH) teilweise den Abbau durch Abfangexperimente spielt. Darüber hinaus ist ein Z-Schema-Reaktionsmechanismus von Ag₃ PO₄ /TiO₂ eine heterogene Struktur wird vorgeschlagen, um den Abbaumechanismus von RhB zu erklären. Die Ansammlung photogenerierter Elektronen auf Ag₃ PO₄ leitfähiges Band verursacht Photoätzen von Ag₃ PO₄ Photokatalysator zur Bildung einer kleinen Menge von Ag-Nanopartikeln, wodurch der photogenerierte Elektronentransfer in das Ag₃ . beschleunigt wird PO₄ Leitungsband, wodurch weiteres Ag₃ . verhindert wird PO₄ photokatalytische Korrosion.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Autoren erklären, dass Materialien und Datum dem Leser ohne unangemessene Einschränkungen in Materialtransfervereinbarungen unverzüglich zur Verfügung stehen. Alle in dieser Studie generierten Daten sind in diesem Artikel enthalten.