이 작품에서 Ag3 PO4 미세 입자가 BiFeO3 표면에 장식되었습니다. 침전법을 통한 미세입방체 p-Ag3 획득 PO4 /n-BiFeO3 이종 접합 합성물. 복합 재료는 가시광선 조사에서 산성 오렌지 7(AO7)의 분해에 사용되었습니다. 복합 재료는 순수한 BiFeO보다 훨씬 더 높은 광촉매 효율을 나타내는 것으로 나타났습니다3 . 한편, Ag3의 고유한 가시광 구동 광촉매 활성 PO4 /BiFeO3 합성물은 페놀의 분해에 의해 추가로 확인되었습니다. 또한, 복합체의 광-Fenton-like 촉매 특성도 평가하였다. 광전류 분석은 BiFeO3의 조합을 나타냅니다. Ag3 포함 PO4 광유도 전자와 정공의 재결합을 억제합니다. 합성물의 광촉매 활성의 명백한 향상은 주로 Ag3의 형성으로 인한 효율적인 광생성 전하 분리 및 계면 전하 이동에 기인합니다. PO4 /BiFeO3 pn 이종접합.
공식파라 PACS81.05.Hd82.65.+r82.50.–m
<섹션 데이터-제목="배경">최근 반도체 광촉매는 에너지 전환 및 오염 처리를 위한 유망한 기술로 상당한 주목을 받고 있다[1,2,3]. 우리가 알고 있듯이 널리 연구된 광촉매 TiO2 태양광의 약 5%만을 구성하는 자외선(UV) 광 조사 하에서만 활성을 나타내므로 태양광 하에서 광촉매 적용을 크게 제한합니다. 따라서 가시광선 구동 광촉매[4,5,6,7,8]의 개발이 필요하다.
비스무트 또는 페럼 기반 반도체 산화물은 일반적으로 적당한 밴드갭 에너지(~ 2.0 eV)를 가지며 가시광선 반응성 광촉매의 중요한 부류로 간주됩니다[9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19]. 그 중 BiFeO3 페로브스카이트 유형 구조를 갖는 는 가시광선 조사에서 염료 분해 및 물 분해에 대한 흥미로운 광촉매 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다[20,21,22,23,24,25]. 그러나 광촉매 활성은 광생성 전자(e - )의 높은 재결합 속도 때문에 인상적이지 않습니다. ) 및 구멍(h + ). 다행히 BiFeO3의 결합이 밴드 에지 전위가 일치하는 좁은 밴드갭 반도체를 사용하여 이종 접합을 형성하는 것은 광생성 전하의 분리를 촉진하여 BiFeO3의 광촉매 활성을 향상시키는 가장 유망한 전략 중 하나입니다. [26,27,28,29,30,31]. 예를 들어, Chaiwichian et al. BiFeO3 -Bi2 WO6 나노복합체는 염료 분해에서 향상된 활성을 나타냈다[29]. Wang et al. AgCl/Ag/BiFeO3 순수한 BiFeO보다 훨씬 높은 가시광선 광촉매 활성을 나타냄3 [30]. Fan과 동료들은 g-C3의 조합이 N4 BiFeO3 포함 순수 BiFeO3에 비해 촉매 활성을 분명히 향상시킬 수 있습니다. [31].
오르토인산은(Ag3 PO4 )는 우수한 가시광 구동 광촉매로서 광촉매 분야에서 상당한 주목을 받고 있다[32,33,34,35,36,37]. Ag3 PO4 물 분해로 인한 산소 생성에 대해 매우 높은 양자 수율(~ 90%)을 달성할 수 있습니다[32, 33]. 또한 높은 양의 원자가 밴드 위치로 인해 유기 오염 분해에 대한 우수한 광산화 능력을 가지고 있습니다 [34]. 대부분의 경우 적절한 에너지 밴드 위치와 좁은 밴드갭으로 인해 Ag3 PO4 다른 광촉매와 결합하여 복합물을 형성하는 조촉매로 널리 사용되며, Ag3와 같은 광촉매 거동의 명백한 개선으로 이어집니다. PO4 /Bi2 WO6 , Ag3 PO4 /BiPO4 , Ag3 PO4 /Bi2 O2 CO3 , Ag3 PO4 /g-C3 N4 , Ag3 PO4 /BiVO4 , Bi4 Ti3 O12 /Ag3 PO4 , Ag3 PO4 /ZnFe2 O4 , Ag3 PO4 /WO3 , Ag3 PO4 /ZnO 및 Bi2 MoO6 /Ag3 PO4 [38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]. BiFeO3 n형 반도체 및 Ag3 PO4 p형 반도체로 알려져 있다[43, 48]. Ag3의 구성 PO4 /BiFeO3 p-n 이종접합 복합재는 효율적인 광촉매를 얻기 위한 실행 가능한 방법일 수 있습니다. 그러나 우리가 아는 한 Ag3의 광촉매 성능에 대한 조사는 거의 이루어지지 않았습니다. PO4 /BiFeO3 합성.
이 작품에서 Ag3 PO4 /BiFeO3 p-n 이종접합 복합물은 Ag3의 침전을 통해 쉽게 준비되었습니다. PO4 BiFeO3의 미세 입자 미세입방체. 가시광선 조사에서 복합재료의 광촉매 활성을 평가하기 위해 산성 오렌지 7(AO7)과 페놀을 모델 오염 물질로 선택했습니다. 또한, 합성물의 광-Fenton-유사 촉매 활성도 조사하였다. 유기 오염 물질의 분해에 대한 복합 재료의 기본 메커니즘이 논의되었습니다.
BiFeO3 열수 경로를 통해 미세 입방체를 합성했습니다. Bi(NO3) 0.005몰 )3 •5H2 O 및 0.005mol의 Fe(NO3 )3 •9H2 O를 20mL의 묽은 질산 용액(5mL HNO3 + 15mL 탈이온수). 4.5 mol/L 농도의 KOH 용액 60 밀리리터를 자기 교반 하에 상기 용액에 한 방울씩 첨가하였다. 8분의 초음파 처리 및 또 다른 30분의 강력한 자기 교반 후, 혼합물 용액을 100mL 용량의 테플론 라이닝된 스테인리스강 오토클레이브에 밀봉하고 200°C에서 6시간 동안 열수 반응을 가했습니다. 오토클레이브를 상온으로 자연 냉각시킨 후, 침전물을 원심분리하여 수집하고, 탈이온수(2회) 및 무수 에탄올(3회)로 세척한 다음, 80°C에서 12시간 동안 건조하여 최종 BiFeO를 얻었다. 3 제품. Ag3 PO4 침전법으로 미세입자를 제조하였다. 3밀리몰의 AgNO3 30mL 탈이온수 및 1mmol Na3에 용해되었습니다. PO4 ·12H2 O를 자기 교반의 도움으로 30mL 탈이온수에 첨가했습니다. 용액이 균질해진 후, 후자의 용액을 7시간 동안 격렬한 자기 교반 하에 전자에 적가하였다. 반응하는 동안 용액의 색이 노란색으로 변했습니다. 마지막으로, 혼합물을 원심분리하여 침전물을 수집하였다. 얻어진 침전물을 탈이온수로 여러 번 세척한 다음 60°C의 진공 오븐에서 8시간 동안 건조했습니다.
Ag3 PO4 /BiFeO3 합성물은 다음과 같이 합성되었습니다:0.1g의 BiFeO3 마이크로 큐브를 30mL 탈이온수에 분산시킨 다음 2시간 동안 초음파 처리했습니다. 그 후 일정량의 AgNO3 상기 현탁액에 용해시켰다. 이 혼합물에 특정 농도의 Na3를 한 방울씩 첨가했습니다. PO4 7시간 동안 격렬한 자기 교반하에 용액(30mL). 얻은 합성물을 원심분리로 분리하고, 탈이온수로 반복적으로 세척하고, 60°C의 진공 오븐에서 8시간 동안 건조했습니다. Ag3의 효과를 조사하려면 PO4 얻어진 복합재의 광촉매 특성에 대한 함량, 다양한 Ag3로 일련의 샘플 제작 PO4 5%, 10%, 20% 및 40%의 질량 비율 및 해당 샘플을 5wt%Ag3로 명명했습니다. PO4 /BiFeO3 , 10wt% Ag3 PO4 /BiFeO3 , 20wt% Ag3 PO4 /BiFeO3 및 40wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 , 각각. 비교를 위해 20wt%Ag3로 명명된 합성물 PO4 /BiFeO3 -M은 또한 BiFeO3의 직접적인 기계적 혼합에 의해 제조되었습니다. 미세입방체 및 Ag3 PO4 미세 입자, 여기서 Ag3 PO4 합성물에서 20%의 질량 분율을 차지합니다.
광전류 테스트는 문헌[49]에 설명된 대로 3전극 전지가 있는 전기화학적 워크스테이션(CST 350)에서 수행되었습니다. 이 3 전극 시스템에서 백금 호일과 표준 칼로멜 전극을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용했습니다. 작동 전극은 다음과 같이 제작되었습니다:15 mg 광촉매, 0.75 mg 카본 블랙, 0.75 mg 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 1-메틸-2-피롤리디온(NMP)에 첨가하여 슬러리를 생성한 다음 1.0 표면에 균일하게 코팅했습니다. × 1.0cm 2 불소 도핑된 산화주석 유리 전극. 그 후 전극을 60°C에서 5시간 동안 건조했습니다. 420nm 컷오프 필터가 있는 300W Xe 램프를 가시광원으로 사용했습니다. 광전기화학적 측정은 0.1-M Na2 SO4 전해질 용액의 pH 값은 ~ 5.3으로 측정되었습니다. 광전류-시간(It) 곡선은 0.2V의 고정 바이어스 전위에서 측정되었습니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 테스트는 다음과 같은 사인파 전압 펄스를 사용하여 수행되었습니다. 5mV의 진폭 및 10 −2 의 주파수 범위 ~ 10 5 Hz.
시료의 광촉매 활성은 가시광선 조사에서 AO7과 페놀의 분해에 대해 평가되었습니다. 일반적으로 초기 AO7 또는 페놀 농도는 5mg/L이었고 촉매 로딩은 0.5g/L였습니다. AO7 및 페놀 용액의 pH 값은 각각 ~ 6.8 및 ~ 6.2로 측정되었습니다. 조명 전에 혼합물을 암실에서 0.5시간 동안 교반하여 촉매 표면에서 유기 분자의 흡탈착 평형을 달성했습니다. 그런 다음 이 반응 용액을 420nm 컷오프 필터가 있는 300W 크세논 램프에 노출시켰고 해당 광도는 ~ 50mW cm -2 로 측정되었습니다. . 광촉매 실험 동안 일정 시간 간격으로 소량의 반응용액을 채취한 후 원심분리하여 촉매를 분리하였다. AO7 또는 페놀의 농도는 주어진 파장(λ AO7 =484nm 및 λ 페놀 =270nm) UV-가시광선 분광광도계를 사용합니다. 광촉매의 광촉매 재사용성을 평가하기 위해 AO7 분해에 대한 재활용 실험을 수행하였다. 1차 광촉매 시험이 완료된 후 원심분리하여 광촉매를 수집하고 증류수로 세척하고 건조하였다. 수집된 광촉매는 광촉매 실험의 다음 주기를 위해 새로운 염료 용액에 첨가되었습니다. 광촉매의 광펜톤 유사 촉매 능력을 조사하기 위해 H2 O2 (5mmol/L)을 반응 용액에 첨가하였다. 광-펜톤과 같은 실험 과정은 위의 광촉매 과정과 유사했다.
샘플의 위상 순도는 Cu Kα 방사선을 사용하는 X선 회절계(XRD, Bruker D8 Advanced)로 조사했습니다. 시료의 형태는 전계방사형 주사전자현미경(SEM, JEOL JSM-6701F)과 전계방출 투과형 전자현미경(TEM, JEOL JEM-2010)으로 관찰하였다. 샘플의 조성은 에너지 분산 X선 분광법으로 측정했습니다. 원소의 화학적 상태는 X선 광전자 분광법(XPS, PHI-5702)을 사용하여 테스트되었으며, XPS 데이터의 결합 에너지 규모는 284.8eV의 결합 에너지에서 우발적인 C 1s 피크에 대해 보정되었습니다. 제품의 자외선 가시광선(UV-vis) 확산 반사 스펙트럼은 BaSO4가 있는 UV-vis 분광광도계(PERSEE TU-1901)를 사용하여 얻었습니다. 참고로. 샘플의 PL 스펙트럼은 여기 파장이 ~ 350nm인 형광 분광광도계(SHIMADZU RF-6000)에서 기록되었습니다.
그림 1은 BiFeO3의 XRD 패턴을 나타냅니다. , Ag3 PO4 및 Ag3 PO4 /BiFeO3 Ag3가 다른 합성물 PO4 내용물. 베어 BiFeO3용 샘플에서 모든 회절 피크는 BiFeO3의 능면체 구조와 잘 일치합니다. (PDF 카드 번호 74-2016) 및 베어 Ag3의 경우 PO4 샘플에서 회절 피크는 입방 Ag3으로 완벽하게 색인화될 수 있습니다. PO4 단계(PDF 카드 번호 06-0505); 이것은 고순도 BiFeO3 및 Ag3 PO4 성공적으로 준비되었습니다. 복합 재료의 경우 XRD 패턴은 BiFeO3의 특성 회절 피크에 할당될 수 있습니다. 및 Ag3 PO4 , 그리고 불순물의 회절 피크는 패턴에 나타나지 않습니다. 또한, Ag3의 함량을 증가시킴으로써 PO4 , Ag3의 특징적인 피크의 강도 PO4 점차적으로 증가합니다. 결과는 복합 재료가 능면체 BiFeO3로 구성되어 있음을 시사합니다. 및 입방 Ag3 PO4 , 그리고 합성물을 준비하는 동안 다른 단계가 생성되지 않습니다.
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BiFeO3의 XRD 패턴 , Ag3 PO4 및 Ag3 PO4 /BiFeO3 합성물
샘플의 형태는 SEM 및 TEM으로 관찰하였다. 그림 2a, b는 순수한 BiFeO3의 SEM 이미지와 TEM 이미지를 보여줍니다. , 준비된 BiFeO3 입자는 크기가 200~500nm인 직육면체 모양을 나타내며 표면이 매끄럽습니다. 그림 2a의 삽입은 BiFeO3의 길이 대 너비 비율 분포를 표시합니다. 길이 대 너비 비율이 1.1/1에서 2.5/1 범위임을 나타냅니다. 그림 2c의 TEM 이미지에서 볼 수 있듯이, 베어 Ag3 PO4 불규칙한 구형 입자로 구성됩니다. Ag3의 크기 분포 PO4 입자는 110에서 180nm 범위의 넓은 입자 크기 분포를 나타내는 그림 2c의 삽입에 표시됩니다. 20wt%Ag3의 TEM 이미지에서 PO4 /BiFeO3 합성물(그림 2d)에서 불규칙한 미소구가 직육면체 모양의 입자에 부착되어 있음을 알 수 있습니다. 다른 입자에서 얻은 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지는 두 개의 별개의 격자 무늬 세트를 나타냅니다(그림 2d의 삽입). ~ 0.288nm의 면간 간격은 BiFeO3와 일치합니다. (110) 평면인 반면 ~ 0.267 nm의 면간 거리는 Ag3에 해당합니다. PO4 (210) 비행기. 또한 EDX 분석은 합성물에 Ag3의 모든 요소가 포함되어 있음을 시사합니다. PO4 및 BiFeO3 단계(그림 2e). 그림 2의 EDX 스펙트럼에서 관찰된 C 및 Cu 신호는 샘플을 지원하는 데 사용된 마이크로그리드에서 발생할 수 있습니다[50]. 이 결과는 Ag3 PO4 입자는 BiFeO3 표면에 장식되어 있습니다. 미세입방체, Ag3 형성 PO4 /BiFeO3 p-n 이종구조.
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아 SEM(삽입은 BiFeO3의 길이 대 너비 비율 분포입니다. 미세입방체) 및 b BiFeO3의 TEM 이미지 미세입방체. c의 TEM 이미지 Ag3 PO4 미세 입자(삽입은 Ag3의 크기 분포입니다. PO4 미세 입자) 및 d 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 견본; 삽입은 HRTEM 이미지를 보여줍니다. 이 20wt%Ag3의 EDX 스펙트럼 PO4 /BiFeO3 샘플
BiFeO3의 화학적 상태를 밝히기 위해 XPS 분석을 수행했습니다. 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 , 그림 3과 같습니다. 그림 3a는 합성물에서 Ag 3d의 고해상도 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 373.8 및 367.7 eV에서 두 개의 명백한 피크는 Ag 3d3/2에 기인합니다. 및 Ag 3d5/2 Ag + 의 결합 에너지 . 그림 3b는 합성물의 P 2p 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타냅니다. 약 133.2eV의 피크는 P 5+ 의 특성 결합 에너지에 해당합니다. Ag3의 산화 상태 PO4 [51]. 그림 3c, d는 각각 Bi 4f 및 Fe 2p 고해상도 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 베어 BiFeO3용 , Bi 4f 스펙트럼은 Bi 4f5/2에 속하는 164.1eV 및 158.8eV의 결합 에너지에서 두 개의 강력한 피크를 보여줍니다. 및 Bi 4f7/2 이는 각각 Bi 이온이 + 3의 산화 상태를 가지고 있음을 나타냅니다. Fe 2p 스펙트럼의 경우 723.7eV에 위치한 피크는 Fe 2p1/2에 할당됩니다. Fe 3+ . ~ 11.6eV의 또 다른 강력한 XPS 신호는 711.7 및 709.9eV의 두 피크에 맞출 수 있습니다. 709.9eV의 피크는 Fe 2p3/2의 결합 에너지에 해당합니다. Fe 2+ . 711.7 eV의 결합 에너지는 Fe 2p3/2에 속합니다. Fe 3+ . 또한 위성 피크는 약 718.2eV에서 발견되는데, 이는 Fe의 혼합 산화 상태에 기인합니다. Fe 원소의 XPS 분석에서 Fe가 Fe 3+ 형태로 존재함을 알 수 있습니다. 및 Fe 2+ 베어 BiFeO3에서 . 20wt%Ag3에서 Bi 4f 및 Fe 2p 결합 에너지가 PO4 /BiFeO3 베어 BiFeO3와 비교하여 약간의 변화를 나타냄 , 이는 주로 BiFeO3 사이의 상호 작용에 기인합니다. 및 Ag3 PO4 . 그림 3e는 BiFeO3의 O 1s 고해상도 XPS 스펙트럼을 표시합니다. 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 . 베어 BiFeO3용 , O 1s 신호는 529.8 및 531.0eV에서 두 개의 피크로 나눌 수 있습니다. 529.8eV의 결합 에너지는 격자 산소에 해당하는 반면 531.0eV의 더 높은 결합 에너지에서 작은 피크는 표면 결함 및 화학 흡착된 산소 종으로 인해 발생합니다. 베어 BiFeO3와 비교 , 합성물의 O 1s 피크는 이동을 경험하며, 이는 Ag3 간의 상호 작용으로 인한 것이기도 합니다. PO4 및 BiFeO3 .
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BiFeO3의 고해상도 XPS 스펙트럼 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 견본. 아 Ag 3d 및 b P 2p of 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 견본. ㄷ 양방향 4f, d Fe 2p 및 e BiFeO3의 O1 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 샘플
샘플의 광 흡수 거동은 그림 4a와 같이 UV-vis 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 조사했습니다. Kubelka-Munk(K-M) 이론에 따라 확산 반사 스펙트럼에서 변환된 해당 흡수 스펙트럼은 그림 4b[52]에 나와 있습니다. 모든 샘플은 λ <600 nm에서 중요한 광 흡수를 나타냄을 알 수 있습니다. 샘플의 흡수 가장자리를 얻기 위해 그림 4c와 같이 파장 λ(즉, dR/dλ)에 대한 반사율(R)의 1차 도함수를 수행했습니다. 흡수 가장자리는 미분 스펙트럼의 피크 파장에서 결정할 수 있습니다[53]. 노출된 Ag3의 흡광 가장자리가 PO4 밴드갭 에너지(E)에 해당하는 ~ 527nm에 위치 g )의 ~ 2.35 eV. 베어 BiFeO3 E에 해당하는 약 567nm에서 흡수 가장자리를 나타냅니다. g ~ 2.18eV의 흡수 가장자리 외에도 ~ 00nm에서 약한 피크가 관찰되며, 이는 아마도 BiFeO3의 밴드갭 중간에 표면 상태가 존재하기 때문일 수 있습니다. . Ag3와 결합 시 PO4 , BiFeO3의 흡수 가장자리 Ag3의 도입을 나타내는 명백한 변화를 겪지 않습니다. PO4 BiFeO3의 밴드갭 구조에 명백한 영향을 미치지 않습니다. .
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아 BiFeO3의 UV 가시광 확산 반사 스펙트럼 , Ag3 PO4 및 Ag3 PO4 /BiFeO3 합성물. ㄴ 해당 흡수 스펙트럼 및 c 확산 반사 스펙트럼의 해당 1차 도함수
AO7은 샘플의 광촉매 성능을 평가하기 위한 대상 오염 물질로 선택되었습니다. 가시광선 조사 하에서 AO7의 광촉매 분해를 조사하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 광촉매 반응에 앞서 블랭크 및 흡수 실험을 수행하였다. 촉매가 없는 조사 또는 조사 없이 촉매의 존재하에서 염료의 명백한 분해가 검출되지 않음을 알 수 있으며, 이는 광촉매 과정 동안 AO7의 자가 분해 및 흡수가 무시할 수 있음을 시사한다. 베어 BiFeO3 광촉매 활성이 약하고 AO7의 ~ 27%만 120분의 조사로 분해됩니다. BiFeO3일 때 미세 입방체는 Ag3와 결합됩니다. PO4 미세 입자, 형성된 Ag3 PO4 /BiFeO3 복합 재료는 순수 BiFeO보다 우수한 광촉매 활성을 나타냄3 . 노출 120분 후 샘플에 대한 AO7의 분해 비율은 40wt%Ag3입니다. PO4 /BiFeO3 (~ 91%)> 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 (~ 87%)> 10wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 (~ 69%)> 5wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 (~ 46%)> BiFeO3 (~ 27%). 복합 재료의 광촉매 성능은 Ag3의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내는 것으로 나타났습니다. PO4 콘텐츠. 이들 복합재 중 광촉매 효율 40wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 20wt%Ag3에 매우 가깝습니다. PO4 /BiFeO3 . 따라서 본 연구에서 가장 적절한 Ag3의 질량비는 PO4 합성에서 20%로 간주될 수 있습니다. 또한, 기계적 혼합물 샘플 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 -M은 20wt%Ag3보다 훨씬 낮은 광촉매 활성을 나타냅니다. PO4 /BiFeO3 . 이것은 BiFeO3 사이의 이종 접합의 구성을 보여줍니다. 및 Ag3 PO4 광촉매 활성을 높이는 데 필요합니다. 또한 BiFeO3에 비해 /a-Fe2 O3 및 BiFeO3 -Bi2 WO6 합성물 [26, 29], Ag3 PO4 /BiFeO3 본 연구에서 준비된 이종접합 복합재는 염료 분해에 대해 더 높은 광촉매 활성을 나타냅니다.
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BiFeO3의 광촉매 활성 및 Ag3 PO4 /BiFeO3 블랭크 및 흡수 실험 결과와 함께 가시광선 조사에서 AO7의 열화에 대한 합성물
복합재료의 광촉매 특성을 추가로 확인하기 위해 20wt%Ag3 이상에서 무색 페놀의 광촉매 분해 PO4 /BiFeO3 및 BiFeO3 가시광선 조사에서도 조사되었다. 그림 6과 같이 블랭크 및 흡수 실험 결과에 따르면 페놀의 자체 분해 및 흡수는 무시할 수 있습니다. ~ 9%의 페놀이 BiFeO3에 의해 촉매화되어 분해됨을 알 수 있습니다. 120분 노출 후 반면, 20wt%Ag3일 때 PO4 /BiFeO3 광촉매로 사용하면 동일한 조건에서 페놀의 분해율을 분명히 높일 수 있습니다. 결과는 가시광선 조사된 Ag3에서 염료의 열화를 시사합니다. PO4 /BiFeO3 복합 재료는 염료 감작 대신 고유한 광촉매 활성에 기인합니다.
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BiFeO3에 대한 페놀의 광촉매 분해 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 블랭크 및 흡수 실험 결과와 함께 가시광선 조사 샘플
광촉매의 재사용성을 평가하기 위해 20wt%Ag3에 대한 AO7의 재활용 광촉매 분해 실험 PO4 /BiFeO3 및 Ag3 PO4 동일한 광촉매 조건에서 수행되었습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 3회의 연속 재활용 후에도 복합재는 여전히 상대적으로 높은 광촉매 활성을 나타내는 반면 Ag3보다 분해 효율이 높습니다. PO4 확연히 감소합니다. 그림 8a, b는 사이클링 실험 후 합성물의 TEM 이미지와 XRD 패턴을 각각 보여줍니다. Ag3 PO4 미세 입자는 여전히 BiFeO3 표면에 조립되어 있습니다. 이종 구조의 파괴가 없는 미세 입방체이며 명백한 결정 구조 변화가 관찰되지 않습니다. 이것은 Ag3 PO4 /BiFeO3 p-n 이종접합 복합재는 광촉매 재사용성이 우수합니다.
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Ag3에 대한 AO7의 광촉매 분해 PO4 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 3주기 동안 샘플
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아 TEM 이미지 및 b 20wt%Ag3의 XRD 패턴 PO4 /BiFeO3 주기 광촉매 실험 후 샘플
광촉매 특성 외에도 BiFeO3 또한 탁월한 광-펜톤 유사 촉매 능력을 나타냅니다[54,55,56]. 그림 9는 20wt%Ag3에서 AO7의 사진과 같은 Fenton과 같은 분해를 보여줍니다. PO4 /BiFeO3 및 BiFeO3 H2가 있을 때 O2 . H2가 없는 반응 시스템과 비교 O2 , H2 소개 O2 염료의 분해율을 현저하게 향상시킵니다. 이 결과는 주로 광 펜톤과 같은 반응 메커니즘 때문입니다. 가시광선 조사 및 H2 존재 시 O2 , Fe 3+ BiFeO3 표면에 Fe 2+ 로 변환 가능 수산기(•OH) 라디칼의 생성과 함께(식 1). 결과적으로 Fe 2+ H2와 반응할 수 있습니다. O2 Fe 3+ 생성 및 •OH(식 2). 위의 사이클 반응 동안 더 많은 •OH가 생성되며, 이는 일반적으로 염료 분해의 주요 활성 종으로 간주됩니다(그림 11에 제공된 활성 종 트래핑 실험에 의해 입증됨). 베어 BiFeO3의 경우 , 광 생성 전하의 높은 재결합 속도는 광 생성 전자의 수율을 제한하여 Fe 3+ 의 환원을 억제하는 경향이 있습니다. Fe 2+ 로 (식 3). 이것은 열화 비율의 제한된 향상으로 이어집니다. Ag3의 경우 PO4 /BiFeO3 합성물, 광생성 전자 및 정공을 효율적으로 분리할 수 있으므로 Fe 3+ 에서 빠른 전환을 촉진하기 위해 더 많은 광생성 전자를 사용할 수 있습니다. Fe 2+ 로 (식 3) [57]. 이러한 전자 감소의 이점을 활용하여 복합 재료에 대한 포토-펜톤 공정은 순수 BiFeO에 대한 공정보다 더 효율적입니다3 . 결과적으로 Ag3 PO4 /BiFeO3 p-n 이종접합 복합재는 훨씬 향상된 광-펜톤 성능을 나타냅니다.
$$ {\mathrm{Fe}}^{3+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{h}\upnu \to {\mathrm{Fe}}^{2+} +\bullet \mathrm{OH}+{\mathrm{H}}^{+} $$ (1) $$ {\mathrm{Fe}}^{2+}+{\mathrm{H}}_2{\ mathrm{O}}_2\to {\mathrm{Fe}}^{3+}+\bullet \mathrm{OH}+{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-} $$ (2) $$ {\mathrm{Fe}}^{3+}+{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{Fe}}^{2+} $$ (3) <그림><그림>
BiFeO3의 광촉매 활성 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 H2 존재 하에 가시광선 조사 하에서 AO7의 분해를 향한 샘플 O2
시료의 광발생 전하 분리 거동, 과도 광전류 응답, ESI 스펙트럼 및 BiFeO3의 PL 스펙트럼 평가 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 측정되었습니다. 그림 10a는 몇 번의 온-오프 주기를 가진 간헐적인 가시광선 조사에서 광촉매의 광전류-시간(I-t) 곡선을 보여줍니다. 복합 재료의 광전류 값이 베어 BiFeO의 광전류 값보다 훨씬 높음을 알 수 있습니다.3 , Ag3의 구성을 나타냅니다. PO4 /BiFeO3 p-n 이종접합은 광생성 전자와 정공의 재결합을 억제하는 데 유리합니다. 그림 10b는 샘플의 ESI 스펙트럼을 나타냅니다. 합성물이 BiFeO3에 비해 더 작은 임피던스 아크 반경을 나타내는 것을 볼 수 있습니다. , 이는 복합 재료의 더 낮은 전하 이동 저항을 시사합니다. 이러한 결과는 합성물에서 광발생 전하의 분리 및 이동이 개선될 수 있고, 따라서 광촉매를 위한 더 많은 광유도 정공 및 전자를 제공할 수 있음을 보여줍니다. 그림 10c는 Ag3의 주파수 3000Hz에서 Mott-Schottky 플롯을 보여줍니다. PO4 . 플롯의 음의 기울기는 Ag3 PO4 보고서[43]와 일치하는 p형 반도체입니다. BiFeO3의 PL 스펙트럼 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 그림 10d에 나와 있습니다. 두 샘플은 ~ 522nm에서 명백한 방출 피크를 나타내며, 이는 주로 광 생성된 전자/정공 쌍의 재결합에 기인합니다. 복합 재료의 PL 강도가 베어 BiFeO3의 강도보다 훨씬 작다는 점은 주목할 가치가 있습니다. . 이것은 Ag3의 구성이 PO4 /BiFeO3 이종접합은 광유도 전하의 분리를 촉진합니다.
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아 일시적인 광전류 응답 및 b BiFeO3의 EIS 스펙트럼 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 견본. ㄷ Ag3의 Mott-Schottky 플롯 PO4 . d BiFeO3의 PL 스펙트럼 및 20wt%Ag3 PO4 /BiFeO3 샘플
광생성 구멍(h + ), 하이드록실(•OH) 및 슈퍼옥사이드(•O 2- )는 염료의 광촉매 분해를 담당하는 주요 활성 종으로 간주됩니다. 현재 광촉매 시스템에서 활성종의 역할을 명확히 하기 위해 그림 11과 같이 활성종 포획 실험을 수행하였다. 에탄올(•OH 제거제, 10 부피%) 또는 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA, h + 제거제) , 2mm). 이는 •OH 및 h + 광촉매 반응에 관여하는 주요 활성 종입니다. 벤조퀴논(BQ, •O 2- 소거제 첨가 후) , 1 mM), 분해 비율의 약간의 감소가 감지되어 •O 2- 염료 분해에 비교적 작은 역할을 합니다.
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20wt%Ag3 이상의 AO7 분해율에 대한 에탄올, EDTA 및 BQ의 영향 PO4 /BiFeO3 합성
산화환원 능력과 광생성 전하의 이동이 광촉매의 에너지 밴드 전위와 밀접한 관련이 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. BiFeO3의 가전자대(VB) 및 전도대(CB) 및 Ag3 PO4 다음 방정식 [58, 59]을 사용하여 얻을 수 있습니다.
$$ {E}_{\mathrm{VB}}=X-{E}^{\mathrm{e}}+0.5{E}_{\mathrm{g}} $$ (4) $$ {E} _{\mathrm{CB}}=X-{E}^{\mathrm{e}}-0.5{E}_{\mathrm{g}} $$ (5)X 는 반도체의 절대 전기 음성도입니다(전자 친화도와 구성 원자의 첫 번째 이온화의 산술 평균으로 계산됨). 이 e 수소 규모(~ 4.5eV)에서 자유 전자의 에너지입니다. X BiFeO3의 값 및 Ag3 PO4 각각 5.93 및 5.98 eV로 추정됩니다[43, 60]. 식을 기반으로 합니다. (4) 및 (5), BiFeO3의 CB/VB 전위 및 Ag3 PO4 NHE에 대해 각각 0.34/2.52V 및 0.31/2.66V로 계산됩니다. 두 광촉매의 에너지 밴드 포텐셜 다이어그램은 그림 12a에 나와 있습니다. BiFeO3 는 n형 반도체이며 페르미 준위는 CB에 가깝습니다[48]. Ag3 PO4 페르미 에너지 준위가 VB에 가까운 p형 반도체(그림 10c 참조)인 것으로 입증되었습니다[43]. BiFeO3일 때 Ag3와 결합됩니다. PO4 p-n 이종접합을 형성하기 위해(그림 12b 참조) 두 광촉매 사이의 전자와 정공의 확산은 BiFeO3 방향으로 p-n 이종접합의 계면 영역에서 내부 전기장을 생성합니다. Ag3으로 PO4 . 동시에 BiFeO3의 에너지 밴드 잠재력 Ag3의 페르미 준위와 함께 아래로 이동하는 경향이 있습니다. PO4 두 광촉매의 페르미 준위의 평형 상태가 달성될 때까지 페르미 준위와 함께 상승하는 경향이 있습니다. 가시광선 조사 시 BiFeO3 및 Ag3 PO4 광유도 전자 및 정공 쌍을 생성하기 위해 여기될 수 있습니다. 내부 전기장의 촉진하에 Ag3의 CB에서 광 발생 전자 PO4 BiFeO3의 CB로 마이그레이션됩니다. , 광생성 구멍은 BiFeO3의 VB에서 전송됩니다. Ag3 PO4 . 결과적으로 광전류 및 PL 분석(그림 10a, d 참조)에서 알 수 있듯이 광발생 전하의 재결합을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 따라서 더 많은 광생성 전자와 정공이 광촉매 산화환원 반응에 참여할 수 있어 Ag3의 광촉매 활성이 향상됩니다. PO4 /BiFeO3 p-n 이종 접합 합성물.
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Ag3에 대해 제안된 광촉매 메커니즘의 개략도 PO4 /BiFeO3 합성물. 아 연락하기 전에. ㄴ 연락 후
Ag3 PO4 /BiFeO3 Ag3의 장식을 통해 p-n 이종접합 복합재를 합성했습니다. PO4 BiFeO3 표면의 구형 미세 입자 미세입방체. 베어 BiFeO3와 비교 , 얻어진 합성물은 AO7과 페놀의 분해에 대해 향상된 가시광선 광촉매 활성을 나타냅니다. 또한, 복합물은 우수한 광-펜톤형 촉매로 입증되었습니다. 복합 재료의 향상된 광촉매 활성은 주로 BiFeO3 사이의 p-n 이종 접합의 형성으로 인해 광 생성된 전자와 정공의 효율적인 분리에 기인합니다. 및 Ag3 PO4.
산성 오렌지 7
전도대
UV-vis 확산 반사 스펙트럼
에너지 분산 X선
밴드갭 에너지
광전류 시간
1-메틸-2-피롤리디온
폴리불화비닐리덴
반사율
주사 전자 현미경
투과 전자 현미경
원자가 밴드
X선 광전자 분광법
X선 회절계
나노물질
초록 다양한 농도(0.01, 0.03 및 0.05 중량비)의 그래핀 옥사이드(GO) 나노시트를 화학적 침전 기술을 사용하여 산화마그네슘(MgO) 나노구조체에 도핑했습니다. 목적은 고정된 양의 MgO의 촉매 및 항균 거동에 대한 GO 도펀트 농도의 영향을 연구하는 것이었습니다. XRD 기술은 MgO의 입방체 상을 나타내었고 그 결정성은 SAED 프로파일을 통해 확인되었습니다. 작용기 존재 및 Mg-O(443cm−1 ) 지문 영역에서 FTIR 분광법으로 분명했습니다. 광학 특성은 도핑 시 밴드 갭 에너지가 5.0에서 4.8eV로 감소
초록 포르피린 철 분자(헤민)는 SBA-15(FeIX-SBA-15)의 채널 메조다공성 실리카에 성공적으로 이식되었으며, 여기에서 부착된 헤민 분자는 산화 반응을 촉매하는 효소 모방체로 작용했습니다. H2가 있는 경우 O2 , 준비된 FeIX-SBA-15 합성물은 용액과 멤브레인 모두에서 산업용 염료 Orange II와 촉매화된 테트라메틸벤지딘 염산염(TMB)을 효과적으로 분해했으며, 이로부터 비색 H2 O2 탐지를 달성했습니다. 또한, hemin 이식 복합재는 실시간 세포 분석에서 모니터링한 바와 같이 지속 방출 거동을 나타내는
