새로운 SrTiO3/Bi5O7I 나노복합체의 제조 및 광촉매 특성

초록

소설 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 열분해 접근법에 의해 성공적으로 제조되었습니다. 준비된 샘플은 XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS 및 PL 스펙트럼으로 특성화되었습니다. 결과는 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 페로브스카이트 SrTiO₃로 구성됩니다. 나노입자 및 정방정계 Bi₅ O₇ 나 나노로드. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 모의 태양광 조사에서 RhB 용액의 분해에 대해 우수한 광촉매 성능을 나타내며, 이는 순수한 Bi₅보다 우수합니다. O₇ 나와 SrTiO₃ . 특히, 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 광촉매 150분 동안 염료 분해가 89.6%에 도달하는 최적의 복합재로 발견되었습니다. 30wt% SrTiO₃의 광촉매 분해율 /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 베어 Bi₅보다 3.97배, 12.5배 높은 것으로 나타났습니다. O₇ 나와 SrTiO₃ , 각각. 반응성 종 트래핑 실험에 따르면 \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) 와 구멍이 RhB 분해에 책임이 있는 주요 활성 종이다. 또한, PL 스펙트럼은 광유도 전자-정공 쌍의 효과적인 분리를 설명합니다. 또한, SrTiO₃의 가능한 광촉매 메커니즘 /Bi₅ O₇ I 나노복합체도 실험적 증거를 기반으로 해명되었습니다.

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배경

섬유 또는 염료 산업의 염료는 수자원의 품질과 독성 및 발암성 분해 산물에 미치는 영향에 대해 많은 우려를 불러일으켰습니다[1]. 따라서 폐수에서 염료를 완전히 제거하려면 보다 유능한 처리 기술이 필요합니다. 물리적, 화학적, 생물학적 방법을 포함하는 몇 가지 기존 방법이 폐수로부터의 염료 복원에 적용되었습니다[2]. 이러한 방법은 폐수에서 염료를 제거할 수 있지만 비용이 많이 들고 비효율적이며 2차 폐기물을 생성합니다[3, 4]. 다양한 염료 폐수 처리 기술 중 반도체 기반 광촉매는 큰 관심을 받고 전 세계적으로 주목받고 있다[5,6,7]. 이는 에너지원이 풍부하고 무진장하며 무공해 무공해인 염료 오염물질의 분해에 태양에너지를 이용하기 때문이다[8, 9]. 현재 TiO₂ 높은 광활성, 저비용, 화학적 및 광화학적 안정성, 무독성 및 환경 친화적인 특성으로 인해 가장 널리 사용되는 반도체 광촉매입니다. 그러나 3.2eV의 넓은 밴드갭과 광생성 캐리어의 빠른 재결합으로 인해 가시광선 조사에서 매우 낮은 광촉매 활성을 보였다[10]. 위에서 언급한 문제를 효과적으로 해결하기 위해 표면 개질이나 반도체 광촉매의 조합에 많은 노력을 기울였다[11]. 그럼에도 불구하고 새롭고 고효율의 광촉매 개발은 여전히 주요 과제로 남아 있습니다[12].

Bi₅ O₇ I는 새로 발견된 p형 반도체로, 더 많은 광 여기된 정공을 제공하고 광 생성 캐리어의 분리를 용이하게 하여 다른 비스무트 옥시요오다이드보다 상대적으로 더 많은 양의 원자가 밴드(VB) 수준을 나타냅니다[13]. 따라서 Bi₅ O₇ I 광촉매는 가시광선 조사에서 물과 아세트알데히드에서 Rhodamine B(RhB)의 광분해에 대해 높은 활성을 나타냅니다[14]. 불행히도 Bi₅의 실제 적용 O₇ 환경 오염 제거에 사용되는 I 광촉매는 광 생성된 전자와 정공의 재결합으로 인한 전달 효율이 낮기 때문에 아직 제한적입니다[15]. Bi₅의 광활성을 더욱 향상시키기 위해 O₇ 나, 금속이나 비금속으로 도핑하거나[16], 다른 반도체와 커플링하는 등 많은 시도가 있었다. 예를 들어, Huang et al. 합성된 g-C₃ N₄ /Bi₅ O₇ 공결정화법을 통한 I 이종접합으로 순수 Bi₅보다 2.9배 높은 분해율을 나타냄 O₇ 나 [17]; Cheng et al. 조작된 Bi₅ O₇ I/Bi₂ O₃ 말라카이트 그린의 분해에서 높은 광촉매 활성을 보인 화학적 에칭 방법을 통한 합성물 [18]; Hu et al. n형 Sr₂를 포함하는 합성물이 보고되었습니다. TiO₄ 및 p형 Bi₅ O₇ 나는 전자-정공 재결합의 억제로 인해 향상된 광활성을 보였다[19]. Cui et al. 가공된 AgI/Bi₅ O₇ 간단한 1단계 이온 반응을 통해 하이브리드하고 AgI/Bi₅ O₇ 광촉매 활성을 강화한 합성물 [20] 등. 이 결과는 Bi₅ O₇ I 기반 복합 재료는 가시광선 조사에서 향상된 광촉매 성능을 나타냈습니다. 따라서 Bi₅를 제작할 수 있습니다. O₇ 유망한 가시광 구동 광촉매로서 적절한 전도대(CB) 및 VB 위치를 갖는 다른 반도체와의 결합을 통한 I 기반 복합재. 다양한 후보 중 스트론튬 티타네이트(SrTiO₃ )은 n형 반도체 재료로 열안정성, 우수한 내열성, 내식성, 내식성과 같은 많은 우수한 특성 때문에 광범위하게 연구되어 왔다[21,22,23]. 순수 SrTiO₃ 3.1~3.4eV의 넓은 밴드 갭으로 인해 자외선만 흡수합니다[24]. 다행히도 SrTiO₃의 VB Bi₅의 CB와 VB 사이에 위치 O₇ I, CB가 Bi₅의 CB 위에 위치하는 동안 O₇ I. Bi₅의 구조적 장점 고려 O₇ 나, SrTiO₃의 조합 Bi₅ 포함 O₇ 나는 SrTiO₃를 형성하기 위해 /Bi₅ O₇ I 합성물은 높은 광촉매 활성을 실현하는 실행 가능하고 바람직한 방법일 수 있습니다.

이 작품에서 일련의 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposite 광촉매가 처음 합성되었습니다. 이들의 결정상, 미세구조 및 광학적 특성은 일련의 기술로 조사되었습니다. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 시뮬레이션된 태양광 조사 하에서 로다민 B(RhB) 용액의 분해에서 향상된 광촉매 성능을 나타냈다. 또한, SrTiO₃의 가능한 광촉매 메커니즘 /Bi₅ O₇ I 나노복합체도 실험적 증거를 기반으로 해명되었습니다.

방법

SrTiO의 준비₃ /Bi₅ O₇ I 합성

SrTiO₃ 나노 입자 및 SrTiO₃ /BiOI 복합물은 먼저 문헌[25, 26]에 설명된 대로 졸-겔 방법을 통해 합성되었습니다. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 그런 다음 열분해 경로를 통해 I 합성물을 합성했습니다. 모든 화학 시약은 추가 정제 없이 실험에 직접 사용되었습니다. 열분해 과정에서 준비된 SrTiO₃ /BiOI 복합재를 관로에 넣고 가열 프로그램을 다음과 같이 설정했습니다. 500°C까지 지속적으로 가열하고 500°C에서 3시간 동안 유지합니다. 그런 다음, 노를 실온으로 자연 냉각하여 10wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 기타 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 다른 SrTiO₃를 갖는 나노복합 재료 유사한 방법으로 콘텐츠를 조작했습니다.

샘플 특성화

합성된 샘플의 결정 구조는 Cu K_α와 함께 X선 회절(XRD)을 사용하여 특성화되었습니다. 방사선 (D/max-2500, Rigaku). 샘플의 형태는 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 사용하여 초고해상도 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM; SUAPR55, Germany Zeiss)으로 조사했습니다. 시료의 표면 원소 성분과 화학적 상태는 단색 Al K_α를 사용하여 X선 광전자 분광법(XPS; Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, UK)으로 분석되었습니다. X선 소스(hν =1486.6 eV). UV-vis 분광광도계(UV-2450, Shimadzu)를 사용하여 자외선 가시광선(UV-vis) 확산 반사 스펙트럼(DRS)을 얻었다. 샘플 표면의 작용기는 Nicolet iS50 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR; Thermo Fisher Scientific, USA)에서 조사되었습니다. 광발광(PL) 방출 스펙트럼은 LH110911 정상 상태 형광 분광계에서 측정되었습니다.

광촉매 평가 연구

재료의 광촉매 활성은 광반응 장치에서 모의 태양광(UV 광) 조사 하에서 RhB의 분해를 통해 평가되었습니다. 어둠 속에서 30분의 흡착 후, 흡착-탈착은 광촉매와 RhB 분자 사이의 평형 상태에 있습니다. 500W 크세논 램프를 모의 태양광(UV 램프) 광원으로 사용했습니다. 100mg의 광촉매를 100mL RhB 용액(20mg/L)에 완전히 분산시켰다. 각 광촉매 실험 동안 현탁액 3mL를 30분마다 피펫으로 추출하고 원심분리하여 촉매 입자를 제거했습니다. RhB의 농도는 UV-vis 분광광도계를 사용하여 측정되었습니다.

결과 및 토론

XRD 분석

분말 XRD 패턴은 그림 1과 같이 합성된 샘플의 결정 구조와 상 정보를 제공합니다. SrTiO₃ 샘플은 페로브스카이트 구조로 고도로 결정화됩니다(JCPDS no. 35-0734). 2θ에서 회절 피크 22.75°, 32.39°, 39.95°, 46.47°, 52.34°, 57.78°, 67.82°, 77.18°의 값은 (100), (110), (111), (100), (200), (2)로 인덱싱될 수 있습니다. (211), (220), (310) 결정면 [27]. 다른 특정 회절 피크는 감지되지 않습니다. 순수 Bi₅의 XRD 패턴에서 O₇ I, 7.71°, 13.31°, 15.38°, 23.19°, 28.08°, 31.09°, 33.43°, 46.28°, 47.69°, 53.451°, 56 및 are°.58.0, 56에서 주요 회절 피크가 일치함을 알 수 있습니다. (001), (201), (002), (401), (312), (004), (020), (024), (224), (714), (332), (624) Bi₅의 평면 O₇ I(JCPDS No. 10-0548), 각각 [28]. 가장 강한 피크는 Bi₅의 (312) 결정면에 해당합니다. O₇ I. 30wt% SrTiO₃의 XRD 패턴에서 /Bi₅ O₇ I nanocomposite, 모든 눈에 띄는 회절 피크가 tetragonal Bi₅에서 발생한다는 것을 알 수 있습니다. O₇ 나와 페로브스카이트 SrTiO₃ . 불순물의 다른 명백한 피크는 관찰되지 않았으며, 이는 Bi₅ O₇ 나와 SrTiO₃ 합성물에 위상이 공존합니다.

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순수 Bi₅의 XRD 패턴 O₇ 나, SrTiO₃ 및 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나는 나노복합체

XPS 분석

XPS 측정은 30wt% SrTiO₃의 표면 원소 조성 및 순도 평가를 위한 추가 정보를 제공합니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. XPS 분석에서 얻은 결합 에너지는 C 1 s ~ 284.65 eV를 참조하여 시편 충전에 대해 보정되었으며 결과는 그림 2에 표시됩니다. 복합재의 XPS 조사 스캔 스펙트럼은 그림 2a에 나와 있으며, 이는 합성물에 Ti, Sr, Bi, I 및 O 원소의 존재. 159.02 및 164.25eV의 두 개의 강력한 피크는 각각 Bi 4f_5/2에 할당됩니다. 및 Bi 4f_7/2 Bi³⁺ 의 피크 SrTiO₃에서 /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 Fig. 2b[29]와 같다. 그림 2c에 표시된 I 3d의 XPS 스펙트럼에서 I 3d_5/2에 해당하는 617.88 및 630.22eV의 두 개의 강한 피크 그리고 나는 3d_3/2 , 각각 요오드의 - 1 산화 상태를 제안한다[30]. 그림 2d와 같이 Ti 2p_3/2의 결합 에너지는 및 Ti 2p_1/2 Ti 2p 스펙트럼에서 각각 457.90 및 463.80 eV의 피크에 해당합니다. Ti 2p_3/2 사이의 피크 분리 및 Ti 2p_1/2 SrTiO3/Bi₅에서 Ti의 + 4 산화 상태를 나타내는 5.90 eV입니다. O₇ 나 합성 [31]. 그림 2e에서 132.50 및 134.25eV의 피크는 Sr 3d_5/2의 결합 에너지에 해당합니다. 및 Sr 3d_3/2 , 각각 Sr²⁺ 에 존재함을 나타냅니다. 상태[32]. 그림 2f에서 529.65 및 531.25eV의 피크는 O1s에 기인합니다. 529.65eV의 피크는 SrTiO₃의 격자 산소에 기인합니다. /Bi₅ O₇ I 나노복합체, 531.25 eV의 피크는 일반적으로 산소 결손으로 인한 화학흡착 산소에 기인합니다[33]. XPS 결과는 SrTiO₃의 형성을 추가로 확인합니다. /Bi₅ O₇ I 나노복합체와 긴밀한 통합이 이루어졌으며 이는 XRD 결과와 잘 일치합니다.

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30wt% SrTiO₃의 XPS 패턴 /Bi₅ O₇ I 나노복합체:a 설문조사, b 양방향 4f, c 나는 3d, d Ti 2p, e Sr 3d 및 f O1

SEM 및 EDS 분석

준비된 순수 SrTiO₃의 표면 조성 및 형태 , Bi₅ O₇ I 및 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ FE-SEM으로 나노복합체를 관찰하였다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 순수한 SrTiO₃ 직경이 50~300nm 범위인 회전 타원체 또는 구형 입자로 구성됩니다. 더 작은 크기의 SrTiO₃ 입자는 분명히 어느 정도 함께 응집됩니다. 그림 3b에서 Bi₅의 경우 O₇ I 나노시트는 평균 크기가 약 1μm이고 두께가 80~100nm 범위로 이전에 보고된 것과 유사합니다[13]. 대조적으로 Bi₅ 조합 후 O₇ 나는 나노 시트가 아니라 그림 3c와 같이 많은 나노로드로 구성된 나노로드 형태입니다. Bi₅의 경우 O₇ I nanorods의 길이는 100~300nm 범위이고 평균 직경은 약 80nm입니다. SrTiO₃ 입자가 Bi₅의 표면에 단단히 부착되어 있습니다. O₇ I nanorods, 광촉매 성능에 유리한 것으로 생각됩니다. 또한 EDS를 사용하여 30wt% SrTiO₃의 화학적 조성을 분석했습니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 그림 3d와 같이 관찰된 C 신호는 샘플을 고정하는 데 사용되는 전도성 접착제에서 파생될 수 있습니다. EDS는 무거운 원소(예:Bi, Ti, I, Sr)의 함량을 정량적으로 측정하는 데 적합하지만 가벼운 원소(예:P 및 O)에는 사용되지 않습니다[34]. Bi 대 I의 원자비는 EDS 스펙트럼에서 11/63으로 얻어지며, 이는 Bi₅의 Bi/I 원자비와 잘 일치합니다. O₇ 나 단계. Sr/Bi의 원자비는 1/12.5에 매우 가깝고, 이는 SrTiO₃ 단계는 합성물의 총 어금니 함량의 약 30%를 차지합니다.

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a의 SEM 이미지 순수 SrTiO₃ , b 순수 Bi₅ O₇ 나, c 30중량% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나는 나노복합체, 그리고 d 30wt% SrTiO₃의 EDS 스펙트럼 /Bi₅ O₇ 나는 나노복합체

광학 특성 분석

다양한 촉매의 UV-vis DRS 스펙트럼이 그림 4a에 나와 있습니다. 순수한 SrTiO₃ UV 영역에서 380nm에서 흡수 밴드 가장자리를 나타내며 이는 넓은 밴드 갭 에너지에 기인할 수 있습니다[35, 36]. Bi₅ O₇ 나는 가시광선에 반응할 수 있는 520nm의 훨씬 더 긴 흡수 가장자리를 보여줍니다. SrTiO₃의 흡수 가장자리 /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 480~520nm입니다. 순수 SrTiO₃와 비교 , Bi₅와 결합 후 O₇ I 나노시트, SrTiO₃의 흡수 피크 강도 /Bi₅ O₇ I nanocomposites가 크게 향상되었습니다.

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아 SrTiO₃의 DRS 스펙트럼 /Bi₅ O₇ I 나노복합체 및 b (Ahν)^1/2 의 Tauc 플롯 대 hν 순수 Bi₅ O₇ I 및 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposite, (Ahν)² 의 Tauc 플롯 대 hν 순수 SrTiO₃ b의 삽입 사진

흡수 스펙트럼을 기반으로 E _g 반도체의 Aһν =A(һν − E _g )^{n /2} 방정식 [37]. n의 값 SrTiO₃용 및 Bi₅ O₇ 나는 각각 4와 1이다. SrTiO₃의 밴드 갭 에너지 줄거리에서 추정할 수 있습니다(Aһν)² 대 플로톤 에너지(һν) 및 Bi₅의 밴드 갭 에너지 O₇ 줄거리에서 추정할 수 있습니다(Aһν)^1/2 대 һν. X 접선의 절편 축은 그림 4b에 표시된 샘플의 밴드 갭 에너지의 근사치를 제공합니다. 순수 Bi₅의 밴드 갭 에너지 값 O₇ 나, 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposite 및 순수 SrTiO₃ 각각 약 2.31, 2.38, 3.2 eV로 관련 문헌에 보고된 값과 일치합니다[38, 39].

FTIR 분광법 분석

Bi₅ O₇ 나와 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 화학적 결합을 분석하기 위해 FTIR 분광기를 사용하여 추가로 특성화되었습니다. 그림 5와 같이 거의 모든 샘플에서 3445.5 및 1621.9 cm^-1 의 흡착 밴드를 볼 수 있습니다. 이는 화학 흡착된 물 분자의 OH 신축 진동과 변형 진동 때문입니다[40]. 2906.5cm의 밴드⁻¹ Ti-O 신축 진동에 기인한다[41]. 1471.6~500cm⁻¹ 범위의 다른 피크 Bi-O 결합과 관련된 신축 및 변형 모드에 해당합니다[42].

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순수 Bi₅의 FTIR 스펙트럼 O₇ 나와 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체

광촉매 활동

Bi₅로 O₇ 나와 SrTiO₃ 매우 뚜렷한 광 흡수 및 SrTiO₃ 주로 자외선에 반응하며, 동일한 조건의 모의 태양광과 자외선을 별도로 광원으로 사용하여 Bi₅의 광촉매 성능을 조사합니다. O₇ 나, SrTiO₃ 및 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 그림 6a는 시뮬레이션된 태양광 조사에서 RhB의 열화 곡선을 보여줍니다. RhB는 150분 동안 모의 태양광 조사에서 촉매 없이 안정적이고 거의 분해되지 않는 것으로 관찰되었습니다. 순수한 SrTiO₃ 중간 정도의 촉매 활성을 나타내며 150분 조사 후에 18% RhB 감소만 달성되었습니다. 이는 SrTiO₃의 낮은 광 흡수에 기인합니다. 가시 광선 영역 또는 큰 밴드 갭 에너지에서. 순수 Bi₅ O₇ 나는 150분 안에 RhB의 52% 이상을 분해하는 매우 뚜렷한 활동을 보여줍니다. 순수 SrTiO₃와 비교 및 Bi₅ O₇ 나, SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 동일한 조건에서 크게 향상된 광촉매 활성을 나타냅니다. SrTiO₃의 증가와 함께 함량이 10~40%이면 복합재의 광촉매 활성이 먼저 증가하고 감소하며 30wt% SrTiO₃에서 가장 높은 광촉매 활성이 관찰됩니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 이 최적의 합성물의 경우 150분 동안 시뮬레이션된 태양광 조사에서 염료 열화가 약 89.6%에 이릅니다. 이러한 높은 활성은 더 빠른 이동도와 분리를 갖는 광생성 전자에 기인할 수 있습니다.

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아 시뮬레이션된 태양광 조사에서 모든 샘플에 대한 RhB 용액의 광촉매 분해. ㄴ -ln(C_t의 플롯 /C₀ ) 대 모든 샘플에 대한 시간. ㄷ UV 조명 아래의 모든 샘플에 대한 RhB 용액의 광촉매 분해. d SrTiO₃에 대한 RhB의 순환 분해 효율 /Bi₅ O₇ I 나노복합체

다양한 광촉매에 대한 RhB 광촉매 분해의 반응 역학을 더 이해하기 위해 광촉매 분해 효율을 다음 방정식을 사용하여 계산했습니다. ln(C ₀ /C _그 ) =K _앱 그 , 여기서 C ₀ , C _t , 및 K _앱 는 각각 초기 농도, 시간 t에서의 농도 및 겉보기 유사 1차 속도 상수를 나타냅니다[43]. -ln(C_t /C₀ )은 조사 시간과 잘 선형적인 관계를 나타내며 광촉매 반응은 그림 6b와 같이 유사 1차 반응에 속한다. 카 _앱 Bi₅에 대해 얻은 값 O₇ 나, SrTiO₃ , 10wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나, 20wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나, 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 및 40wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 1.16 × 10⁻³ 입니다. , 4.88 × 10⁻³ , 9 × 10⁻³ , 1.06 × 10⁻² , 1.45 × 10⁻² , 그리고 9.24 × 10⁻³ 최소⁻¹ , 각각. 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 최대 광촉매 반응 속도 상수를 나타내며, 이는 순수 Bi₅보다 약 2.97배 높습니다. O₇ I 및 순수 SrTiO보다 12.5배 높음₃ .

UV 광 조사하의 모든 샘플에 대한 RhB 분해 곡선은 그림 6c에 추가로 표시됩니다. 그림 6a와 같은 현상임을 분명히 알 수 있다. 그러나 모든 시료는 자외선의 흡수가 적어 광촉매 효율이 매우 낮고 염료감작은 광촉매 활성에 영향을 미친다. 그림 6a와 같이 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposite는 여전히 최고의 활동을 보여줍니다. 그러나 RhB의 광분해는 150분 이내에 40%에 불과합니다. 이 결과는 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 시뮬레이션된 태양광 조사에서 보다 효율적인 광촉매 활성을 가지고 있습니다.

30wt% SrTiO₃의 안정성 및 재사용성 /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 RhB 분해 시험을 반복하여 수행하였다. 각 주기 후에 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 원심분리에 의해 수집되기 전에 다음 주기에서 재사용되었고, 탈이온수와 에틸 알코올로 여러 번 세척되었으며, 마지막으로 80°C에서 3시간 동안 건조되었습니다. 그림 6d에서 볼 수 있듯이 합성물의 광촉매 활성은 시뮬레이션된 태양 조사 하에서 5번째 재활용 후에도 분명히 감소하지 않았으며, 이는 30wt% SrTiO₃ 재활용에 대한 우수한 안정성을 시사합니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체.

광촉매 메커니즘 토론

SrTiO₃의 광분해와 관련된 활성 종에 대한 통찰력을 얻기 위해 /Bi₅ O₇ I nanocomposites, 우리는 30wt% SrTiO₃에 대해 반응성 종 트래핑 실험을 수행했습니다. /Bi₅ O₇ 나는 광촉매 반응의 주요 활성 종을 확인하기 위해 나노 복합 재료. 그림 7에서 볼 수 있듯이 이소프로판올(IPA)의 첨가는 SrTiO₃에 비해 RhB 분해에 거의 영향을 미치지 않습니다. /Bi₅ O₇ I 나노복합체, 이는 OH 라디칼이 생성되지 않음을 나타냅니다. 반대로, benzoquinone(BQ) 또는 ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt(EDTA-2Na)를 첨가한 후 염료 분해의 현저한 감소가 관찰되었으며, 이는 \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{- } \) 및 정공은 RhB 광분해의 주요 반응성 물질입니다.

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30wt% SrTiO₃에 대한 RhB의 분해 효율 상수 /Bi₅ O₇ 나는 다양한 스캐빈저가 있는 상태에서 나노복합체

준비된 광촉매의 전하 분리를 조사하기 위해 PL 분광법을 추가로 도입했습니다. 그림 8은 Bi₅ 간의 PL 스펙트럼 비교를 보여줍니다. O₇ I 및 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나는 320nm에서 여기 상태에서 나노복합체를 만듭니다. 두 샘플의 PL 스펙트럼은 497nm에서 피크를 특징으로 하며, 이는 Bi₅의 밴드 갭 전이 에너지 방출에 기인합니다. O₇ I. 그러나 30wt% SrTiO₃의 강도가 급격히 감소했습니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 이 현상은 SrTiO₃ 및 Bi₅ O₇ 나.

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순수 Bi₅의 PL 스펙트럼 O₇ I 나노시트 및 30wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ 나는 나노복합체

SrTiO₃의 향상된 광촉매 활성의 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 /Bi₅ O₇ 시뮬레이션된 태양광 조사에서 나노복합체, SrTiO₃에 대한 해당 CB 및 VB 위치 및 Bi₅ O₇ 나는 이론적으로 \( {E}_{VB}=\chi -{E}_0+\frac{1}{2}{E}_g \) 및 E에 따라 계산됩니다. _CB =E _VB − E _g , 여기서 E _VB VB 잠재력, E _CB 는 CB 포텐셜, E ₀ 수소 규모의 자유 전자 에너지(약 4.5eV), E _g 는 밴드 갭 에너지이고 χ는 반도체 구성 요소의 Mulliken 전기 음성도의 기하 평균으로 계산됩니다[44]. 따라서 E _VB 및 E _CB Bi₅의 O₇ 나는 2.92 및 0.56 eV로 계산되었지만 SrTiO₃의 에너지는 각각 약 2.03 및 - 1.15 eV였습니다. 이 두 반도체는 적절한 대역 전위를 가지므로 복합 구조를 구성할 수 있습니다.

위의 결과에 따르면 SrTiO₃ 사이에 일치하는 에너지 밴드의 개략도 및 Bi₅ O₇ I 및 가능한 요금 전송 방법은 그림 9에 나와 있습니다. 두 SrTiO₃ 및 Bi₅ O₇ 나는 시뮬레이션된 태양광(자외선)과 SrTiO₃의 VB에 있는 전자에서 여기됩니다. 및 Bi₅ O₇ 나는 CB에 흥분할 것이고, 구멍은 VB에 남아 있습니다. SrTiO₃의 CB 잠재력으로 (− 1.15 eV)는 Bi₅보다 더 음수입니다. O₇ I(+ 0.56 eV), SrTiO₃의 전자 Bi₅의 CB에 쉽게 주입됩니다. O₇ I. 광생성 전자는 O₂와 반응할 수 있습니다. 활성 산소종 슈퍼옥사이드 라디칼(\( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \))을 생성하여 RhB 분해를 유도합니다 [45]. 반면 Bi₅의 VB에 있는 구멍은 O₇ SrTiO₃의 VB로 마이그레이션합니다. , 광유도 전자와 정공의 효과적인 분리 결과. 이러한 방식으로 광 생성된 전자와 정공은 SrTiO₃에서 효과적으로 분리됩니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. SrTiO₃의 VB •OH/H₂의 산화환원 전위보다 낮은 2.23eV입니다. O(+ 2.27eV). 관련 보고서[46, 47]에 따르면 SrTiO₃의 VB H₂를 산화시키기에 충분하지 않습니다. O를 •OH로. 이것은 \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) 와 구멍이 SrTiO₃의 주요 산소 활성종임을 나타냅니다. /Bi₅ O₇ 시뮬레이션된 태양광 조사 하에서 RhB 탈색의 나노복합체. 따라서 합성된 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합 광촉매는 SrTiO보다 훨씬 높은 광촉매 성능을 나타냅니다₃ 및 Bi₅ O₇ 나.

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SrTiO₃의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램 및 가능한 광촉매 과정 /Bi₅ O₇ I 나노복합체

결론

요약하면, 소설 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체 광촉매는 열분해와 결합된 용매열 접근법에 의해 설계 및 제작되었습니다. XRD, XPS 및 EDS 측정은 제품이 실제로 SrTiO₃임을 보여줍니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. UV-vis DRS 분석은 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 나노복합체는 우수한 광흡수 성능을 가지고 있습니다. PL 스펙트럼의 결과는 광유도 전자-정공 쌍의 재조합이 SrTiO₃에서 분명히 억제되었음을 보여줍니다. /Bi₅ O₇ 나 나노복합체. 얻어진 나노복합체는 광촉매 공정에서 우수한 안정성과 재활용 능력을 보인다. 합성된 SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I 광촉매는 SrTiO₃보다 우수한 모의 태양광 조사에서 RhB 분해에 대해 매우 효율적인 광촉매 특성을 나타냅니다. 및 Bi₅ O₇ I. The outstanding photocatalytic activity of the photocatalysts is ascribed to the efficient separation and migration of photogenerated charge carriers. The \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) and holes are the main oxygen-active species causing the dye degradation. This work could provide insights into the design and development of other excellent photocatalytic materials for environmental and energy applications.