중공 구조 LiNb3O8 광촉매의 제조 및 광촉매 성능

결과 및 토론

LiNb₃의 XRD 패턴 O₈ 2시간 동안 다른 온도에서 소성된 분말이 그림 1에 나와 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 600°C에서 주요 상은 LiNbO₃입니다. 및 Nb₂ O₅ , LiNb₃ 없음 O₈ 전혀 관찰되지 않는 단계. 700°C에서 주요 상은 LiNb₃입니다. O₈ , 소량의 잔류 LiNbO₃ , 이는 LiNb₃를 의미합니다. O₈ 소결공정을 보조하는 열수법에 의해 기존의 방법보다 쉽게 ​​제조된다[10, 11]. 소성 온도가 증가함에 따라 순수한 상 LiNb₃만 O₈ 관찰되고 1000°C까지 위상이 안정적입니다. 또한, 더 높은 소성 온도는 더 나은 결정도와 더 큰 입자 크기를 의미합니다. 그림과 같이 위상은 JCPDF 카드 번호와 완벽하게 일치합니다. 36-0307(참조로 그림 1에 삽입), P21/a의 공간 그룹인 단사정상으로 색인화됩니다.

LiNb₃의 XRD 패턴 O₈ 2시간 동안 다른 온도에서 소성된 분말

LiNb₃의 SEM 이미지 O₈ 다른 온도에서 소성된 분말이 그림 2에 표시되어 있습니다. 700 및 800°C에서 입자가 응집되어 명백한 공동이 있는 중공 구조를 형성한다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 이는 새로운 LiNb₃의 형성에 유익한 소성 과정 중 Li 원소 휘발에 기인할 수 있습니다. O₈ 입자와 입자 사이의 네트워크 [15]. 동시에 700°C의 시료에서는 결정성이 좋지 않아 연결 부위와 입자 모양이 불분명해 보입니다. 소성 온도가 증가함에 따라 입자 크기는 700°C에서 ~100nm에서 1000°C에서 1~3μm로 증가합니다. 개선된 결정도와 함께 입자 모양이 더 분명해집니다. 공동은 1000°C에서 거의 사라지는 중공 구조로 점점 줄어듭니다. 알다시피, 작은 입자 크기는 항상 높은 비표면적을 의미합니다. 높은 비표면적과 좋은 결정도는 모두 광촉매 활성에 영향을 미치는 중요한 요소이므로 절충이 이루어져야 합니다[4]. EDS에 의해 측정된 화학 조성은 그림 2e에 나와 있습니다. 합성된 LiNb₃에서 C, O 및 Nb 원소의 존재를 보여줍니다. O₈ 분말, Li 원소는 감지할 수 없습니다.

LiNb₃의 SEM 이미지 O₈ a에서 소성된 분말 700°, b 800°, c 900° 및 d 각각 1000°C입니다. 이 LiNb₃의 EDS 스펙트럼 O₈ 분말

중공 구조 LiNb₃의 광학적 특성 O₈ 분말도 측정했습니다. LiNb₃의 UV-vis 확산 반사 흡광도 스펙트럼 O₈ 분말은 그림 3에 기록되어 있습니다. 압축된 BaSO₄ 사용 분말을 기준으로 흡광 계수(α )은 Kubelka-Munk(K-M) 이론에 기반한 확산 반사 스펙트럼에서 얻습니다. LiNb₃로 O₈ 직접 밴드갭 반도체[12], 밴드갭(E _g )는 다음과 같이 작성된 흡수단과 광자 에너지(hv) 간의 관계에 따라 계산할 수 있습니다.

여기서 A 는 반도체의 흡광도 상수입니다. LiNb₃의 밴드갭 O₈ 700°, 800°, 900° 및 1000°C에서 소성된 분말(각각 LNO700, LNO800, LNO900 및 LNO1000으로 표시)은 eV보다 각각 3.74, 3.78, 3.76 및 3.71로 보고된 밴드 가스로 추정됩니다. [12, 14] 이전. 그것은 LiNb₃를 의미합니다 O₈ 분말은 광촉매 과정 중에만 자외선을 흡수할 수 있습니다.

LiNb₃의 UV-vis 확산 반사 흡광도 스펙트럼 O₈ 분말

LiNb₃의 광발생 운반체의 분리 효율 O₈ 광촉매는 그림 4와 같이 PL 스펙트럼으로 조사됩니다. LiNb₃ O₈ 광촉매의 경우 PL 방출 피크의 강도가 점차 약해집니다. 더 높은 PL 방출 피크는 항상 캐리어의 더 쉬운 조합에 해당하므로 LiNb₃ O₈ 광촉매는 소성 온도의 증가와 함께 더 나은 표면 광생성 전자-정공 분리 효율을 나타내며, 이는 명백한 입자 크기 성장과 함께 개선된 결정도에 기인할 수 있습니다. 특히 LNO1000의 경우 입자 크기가 약 수 마이크로미터로 다른 3개의 중공 구조 LiNb₃와 다릅니다. O₈ 분말. 광 생성 담체의 분리 효율을 향상시킬 수 있는 소성 온도가 높을수록 비표면적이 크게 감소하는데 이는 광촉매 효율에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나이다. LNO700, LNO800, LNO900, LNO1000의 BET 면적은 10.7, 4.46, 0.36, 0.23m ² 입니다. /g, 각각; LNO700 및 LNO800의 더 큰 표면적은 다공성 및 중공 구조의 결과입니다.

LiNb₃의 실온 PL 스펙트럼 O₈ 광촉매

LiNb₃의 광촉매 성능 O₈ 분말은 그림 5와 같이 UV 광 조사 하에서 MB의 분해에 의해 평가됩니다. 조사 전에 흡착/탈착 평형을 달성하여 흡착 능력을 조사합니다. LNO700과 LNO800 분말은 각각 약 14%와 10%로 좋은 흡착 능력을 보인 반면, LNO900과 LNO1000은 3%에 불과했습니다. 흡착 능력은 그림 2에 표시된 광촉매의 형태와 잘 일치합니다. 광촉매가 없는 MB의 분해와 비교할 때 모든 LiNb₃ O₈ 분말은 특히 LNO700의 경우 MB 분해의 더 높은 광촉매 효율을 나타내며 MB를 완전히 분해하는 데 3시간 밖에 걸리지 않습니다. 그리고 3시간 반응 시간 후에 취한 동일한 샘플의 TOC%는 염료 유기 탄소의 83% 제거를 보여줍니다. C/C₀의 차이 TOC% 값은 대부분 비분해성 중간체의 존재와 관련이 있습니다. 그것은 LiNb₃를 의미합니다. O₈ 분말은 유기 오염 물질의 분해에 효과적인 광촉매입니다. LiNb₃의 광촉매 효율 O₈ 촉매는 BNO700> BNO800> BNO900> BNO1000과 같이 가장 높은 것에서 가장 낮은 순서로 순위가 매겨집니다. 소성 온도가 증가함에 따라 광촉매 분해능이 감소함을 알 수 있는데, 이는 LiNb₃의 형태 변화에 기인할 수 있음 O₈ 분말:명백한 공동이 있는 속이 빈 구조가 점차 사라지고 있습니다. 따라서 중공 구조는 분해 과정에서 가장 중요한 역할을 하며, 이는 MB 분자를 분해하기 위해 더 큰 비표면적과 더 많은 활성 부위를 제공합니다. LNO700의 경우 최고의 광촉매 성능은 LiNb₃ 간의 시너지 효과에 기인할 수도 있습니다. O₈ 및 LiNbO₃ . 이 두 가지 니오베이트 형태는 서로 상호작용할 수 있으며 광생성 전자는 재결합을 보다 효율적으로 피할 수 있습니다[14].

LiNb₃를 사용한 조사 시간에 따른 MB의 광분해 O₈ 자외선에 노출된 분말. LiNb₃의 흡수 능력 O₈ 분말은 평형 흡착을 달성하기 위해 어두운 곳에서 1시간 동안 교반한 후 테스트됩니다.

1차 속도 상수(k ) 또한 LiNb₃의 광촉매 능력을 나타내는 것으로 계산됩니다. O₈ 그림 6과 같이 수정된 Langmuir-Hinshelwood 동역학 모델[24]에 기반한 분말입니다. 얻은 k MB, LNO700, LNO800, LNO900 및 LNO1000에 대해 각각 0.18, 0.97, 0.75, 0.45 및 0.25/h입니다. 겉보기 비율 역시 중공 구조의 LNO700이 가장 효율적인 광촉매로, LNO1000보다 약 4배, 광촉매가 없는 MB보다 약 5.5배 높다.

LiNb₃ 존재 시 MB의 광분해에 대한 운동학적 적합성 O₈ 다른 온도에서 소성된 분말

중공 구조 LiNb₃의 재사용성 및 안정성 조사 O₈ 광촉매(LNO700)는 MB의 광촉매 분해와 흡착 능력 모두에 대해 그림 7a, b와 같이 MB의 광분해를 5주기로 수행합니다. MB의 5번의 광분해 주기 후에는 3시간 안에 MB가 완전히 분해되어 명백한 성능 손실이 나타나지 않습니다. 동시에, 우리는 먼저 LNO700의 흡착 능력의 안정성을 연구했으며, 결과는 각 사이클에 대해 암실에서 MB의 흡착이 거의 일정하게 유지될 수 있음을 보여줍니다. 그것은 LiNb₃의 속이 빈 구조를 나타냅니다. O₈ 광촉매는 안정적이어서 LiNb₃ O₈ 속이 빈 구조의 광촉매는 실용화에 재사용성이 좋은 효율적인 광촉매입니다.

자전거 a 사진 품질 저하 및 b LNO700 분말에 대한 MB의 흡착

그림 8은 LNO700 촉매를 사용한 광촉매 반응 과정에서 활성 종의 트래핑 실험을 보여줍니다. AgNO₃를 첨가하면 MB의 열화가 분명히 감소함을 알 수 있습니다. (e ⁻ 의 소광제 ), t -BuOH(·OH의 소광제) 및 BQ(O₂의 소광제) ^· ). 반대로 EDTA-2Na(h ⁺ 의 소광제를 첨가하면 분해가 증가했습니다. ), 이는 전자와 정공의 분리가 촉진되고 더 많은 전자가 생성됨을 의미합니다. 따라서 e ^- , ·OH 및 O₂ ^· h ⁺ 보다는 분해 과정에서 주요 활성 종이다. . 광촉매 과정에서 광생성 전자(e ⁻ ) 전도대에서 LiNb₃ 표면으로 전달 O₈ 광촉매 및 분자 산소를 슈퍼옥사이드 음이온으로 환원(O₂ ^· ); 그러면 슈퍼옥사이드 음이온이 H₂와 반응할 수 있습니다. O는 활성 라디칼(·OH)을 형성한다[25, 26]. 이러한 반응은 결국 MB의 저하를 초래할 것입니다.

LiNb₃의 존재하에 UV 광 조사 하에서 MB의 분해 동안 활성 종의 트래핑 실험 O₈ 촉매

LiNb₃의 광부식 조사 O₈ 광촉매 LNO800은 MB의 광분해 전후에 XRD와 XPS를 특징으로 한다. 9 및 10. XRD 결과는 LiNb₃의 결정 구조가 O₈ 광촉매는 사용 후 무시할 수 있을 정도로 변화했지만 여전히 순수한 LiNb₃ O₈ 명백한 불순물 없이. 그러나 XPS 스펙트럼에서 Nb3d 피크는 사용되지 않은 LiNb₃에 비해 더 낮은 결합 에너지로 이동합니다. O₈ , 부분적으로 Nb ⁵⁺ 임을 나타냅니다. LiNb₃의 감소 및 광감소 O₈ 광분해 과정에서 표면에 발생 [15, 27,28,29].

UV 조사에서 MB의 광분해 전후 LNO800 광촉매의 XRD 패턴

UV 조사 하에서 MB의 광분해 전후 LNO800 광촉매에 대한 Nb3d의 XPS 스펙트럼