Ag/BiPbO2Cl 나노시트 복합재료의 가시광선 반응성 광촉매 특성 향상

초록

Ag/BiPbO₂ Cl 나노시트 복합재료는 열수 합성과 광환원에 의해 성공적으로 제조되었다. 준비된 Ag/BiPbO₂의 형태, 미세구조 및 광학적 특성 Cl 나노시트 합성물은 TEM, XRD 및 UV-Vis 확산 반사 분광법을 사용하여 특성화되었습니다. 준비된 Ag/BiPbO₂ 0.5wt% Ag가 포함된 Cl 나노시트 복합재는 BiPbO₂의 3.6배인 유리한 광촉매 활성을 나타냅니다. 씨엘 나노시트. 향상된 광촉매 특성은 내부 전자기장, 높은 가시광 응답 범위, 우수한 전도성 및 Ag의 낮은 페르미 준위 때문일 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

최근 몇 년 동안 환경 오염이 점점 심각해지고 있습니다. 유기 오염 물질의 문제를 해결하기 위해 반도체 광촉매 재료는 독특한 장점으로 인해 널리 채택되었습니다[1,2,3,4]. ZnO, TiO₂ , 및 기타 와이드 밴드갭 반도체는 유기 오염 물질의 광촉매 분해에 널리 사용됩니다[5,6,7,8]. 그러나 와이드 밴드갭 반도체는 자외선만 흡수할 수 있어 이러한 촉매의 적용 가능성이 제한됩니다. 따라서 가시광선에 반응하는 광촉매 물질에 대한 연구가 필요하다[9, 10].

비스무트 기반 반도체 광촉매는 풍부한 구조적 특성과 적절한 가전자대 위치를 가지고 있어 유기물 분해의 요구 사항을 충족할 수 있습니다[11, 12]. 그 중 BiPbO₂ Cl은 좁은 밴드 갭, [BiPbO₂ ] 및 [Cl] 플레이트, 하이브리드 밴드 구조 [13, 14]. 그럼에도 불구하고 빠른 전자-정공 재결합 속도는 광촉매 분야에서의 응용을 제한합니다.

반도체 광촉매 재료와 귀금속 또는 그래핀의 조합은 광촉매 특성을 향상시킬 수 있다고 보고되었습니다[15, 16]. 합성 후 광 발생 전자와 정공의 재결합율이 감소하기 때문이다. Au, Ag 및 Pt와 같은 귀금속은 광 발생 전자와 정공을 분리하는 전자 수용체로 사용되었습니다[17, 18].

이 논문에서 Ag/BiPbO₂ Cl 복합 광촉매는 BiPbO₂의 광촉매 특성을 향상시키기 위해 열수법과 광환원법으로 합성되었습니다. Cl 나노시트. 준비된 Ag/BiPbO₂ 0.5wt% Ag가 포함된 Cl 나노시트 복합재는 BiPbO₂의 3.6배인 유리한 광촉매 활성을 나타냅니다. Cl 나노시트.

방법

Ag/BiPbO의 준비₂ Cl 나노시트 복합재

BiPbO₂ Cl 나노시트는 우리가 이전에 사용한 것과 같이 1단계 열수 방법을 통해 제조되었다[13]. Ag/BiPbO₂ Cl 합성물은 광환원법으로 합성되었습니다. 획득한 BiPbO₂ Cl(1mmol)을 자기 교반의 도움으로 20mL의 탈이온수에 분산시킨 다음, 적절한 양의 AgNO₃ 추가되었습니다. 그런 다음 현탁액을 실온에서 3시간 동안 교반하면서 500W Xe 램프로 조사하고 컷오프 필터를 사용하여 420nm 미만에서 빛을 차단했습니다. 생성된 과립을 탈이온수로 세척하여 잔류 유기물을 제거하고 공기 중에서 80°C에서 2시간 동안 건조했습니다. BiPbO₂의 광촉매 활성에 대한 Ag 함량의 영향을 연구하기 위해 Cl, Ag 첨가량은 0.25, 0.5, 0.75wt%로 표기하였다.

광촉매 활동

광촉매 활성은 420nm의 차단 필터가 있는 500W Xe 램프로 XPA 시리즈 광화학 반응 기기에서 특성화되었습니다. 샘플의 광촉매 활성 특성화는 유기 염료로 메틸 오렌지(MO)에 의해 사용되었습니다. 광촉매 성능 테스트 중 50mg Ag/BiPbO₂ Cl 나노시트 복합 분말을 암실에서 1시간 동안 계속 교반하면서 50mL MO 수용액(10mg/L)에 첨가했습니다. 용액의 흡수 스펙트럼은 Shimadzu UV-2700 분광계에서 수집되었습니다.

샘플 특성화

분말의 X선 회절(XRD) 패턴은 Cu Kα 방사선(1.54178 Å)이 있는 PANalytical X'Pert Pro X선 회절계에서 측정되었습니다. 표면 형태는 주사형 전자현미경(SEM, Hitachi S-4800)으로 구하였다. 투과 전자 현미경(TEM) 형태는 JEOL JEM-2011 TEM에서 측정되었습니다. UV-vis 확산 반사 스펙트럼은 Shimadzu UV-2450에서 측정되었습니다. X-선 광전자 분광법(XPS)은 Pekin Elmer PHI-5300 XPS에서 측정되었습니다. 광발광(PL) 방출 스펙트럼은 여기 파장이 320nm인 Shimadzu RF-5301에서 측정되었습니다.

결과 및 토론

BiPbO₂의 광촉매 활성 Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물은 가시광선(> 420 nm) 조명 하에서 MO의 저하로 평가되었습니다. MO 액체의 농도는 464nm에서 상대 흡수 강도를 특징으로 합니다. 그림 1a는 BiPbO₂의 가시광선 광촉매 활성을 보여줍니다. Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. 분해 전에 광촉매를 포함하는 MO 용액을 어두운 환경에서 1시간 동안 교반하여 흡착 평형을 달성했습니다. 그림 1a에서 BiPbO₂의 광촉매 효율이 Cl 복합재는 Ag 함량이 증가함에 따라 증가하며 Ag 함량이 0.5wt%일 때 최대값에 도달합니다. 이는 Ag가 광 발생 전자를 흡수하여 광 발생 전자-정공 재결합 속도를 감소시켜 광촉매 활성을 증가시키기 때문일 수 있습니다. Ag 함량이 더 증가함에 따라 광촉매 효율이 감소합니다. Ag의 함량이 더 증가하면 BiPbO₂의 함량 이에 따라 Cl이 감소하여 광촉매 활성이 감소하여 광 생성 담체의 수가 감소합니다. 그림 1b는 BiPbO₂의 광촉매 반응 역학을 보여줍니다. Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. 그림 1b에서 Ag/BiPbO₂에 대한 MO 분해율을 알 수 있습니다. Cl 합성물(0.0158분⁻¹ ) BiPbO₂의 약 3.6배입니다. Cl(0.0044분⁻¹ ).

<그림>

아 BiPbO₂를 사용한 MO의 광촉매 분해 Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. ㄴ 용액에서 MO 탈색의 동역학

형태 및 미세 구조를 연구하기 위해 SEM, TEM 및 XRD를 BiPbO₂ 연구에 채택했습니다. Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. 그림 2a에서 BiPbO₂ Cl은 두께가 약 12nm인 나노시트로 표시됩니다. 그림 2b는 0.5wt% Ag/BiPbO₂의 SEM 형태를 보여줍니다. Cl 복합재; 은 나노입자가 나노시트 BiPbO₂의 표면에 무작위로 분포되어 있습니다. 클. Ag 입자의 직경은 약 10nm입니다. HRTEM(그림 2c) 이미지도 Ag의 존재를 나타냅니다. Ag의 존재는 XPS에 의해 추가로 입증됩니다. 그림 2d는 BiPbO₂의 XRD를 보여줍니다. Cl 및 0.5wt% Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. BiPbO₂의 XRD 패턴과 비교 Cl, Ag/BiPbO₂의 패턴 Cl 합성물에는 명백한 변화가 없으며, 이는 Ag의 양이 적기 때문일 수 있습니다. 구성 분석은 EDS로 측정됩니다(그림 3). 샘플에서 Bi, Pb, O, Cl 및 Ag 원소가 관찰됩니다. 또한 EDS 원소 매핑은 Ag 원소가 Ag/BiPbO₂ 전체에 고르게 분포되어 있음을 나타냅니다. Cl 합성물.

<그림>

BiPbO₂의 SEM 클(a ) 및 0.5wt% Ag/BiPbO₂ Cl 합성물(b ). ㄷ 0.5wt% Ag/BiPbO₂의 고해상도 TEM 이미지 Cl 합성물. d 샘플의 XRD

<그림>

Ag/BiPbO₂ 원소의 EDS 매핑 Cl 합성물

샘플의 표면 화학적 상태를 연구하기 위해 XPS 분석을 채택하여 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물. 그림 4a와 같이 XPS 스펙트럼에서 Bi, Pb, O, Cl 및 Ag의 존재를 관찰할 수 있습니다. 그림 4b와 같이 Bi 4f_7/2의 피크는 및 Bi 4f_5/2 Bi³⁺ 의 특성과 일치하는 각각 159.1 및 164.5 eV에 있습니다. [19, 20]. Pb 4f_7/2의 피크 및 Pb 4f_5/2 Pb²⁺ 의 특성과 일치하는 137.9 및 142.8 eV(그림 4c)에 있습니다. [21]. O 1s의 피크는 O²⁻ 에 속하는 529.8eV에 있습니다. Bi-O 결합에서 (그림 4d). 그림 4e와 같이 Cl 2p의 두 피크는 197.8과 199.4eV에 있으며 이는 Cl^1- 의 특성과 일치합니다. [22]. 그림 4f와 같이 Ag 3d_3/2에 해당하는 368.1 및 374.3 eV의 두 피크가 관찰됩니다. 및 Ag 3d_5/2 , 각각. Zhang et al.이 보고한 결과에 따르면 [23], 368.6 및 374.6 eV의 피크는 Ag⁰ 에 기인할 수 있습니다. .

<그림>

Ag/BiPbO₂의 XPS 스펙트럼 Cl 합성물. 아 설문조사, b 양방향 4f, c Pb 4f, d O 1, e Cl 2p 및 f Ag 3d

노란색 BiPbO₂와 비교 Ag/BiPbO₂의 색상인 Cl 나노시트 Cl 합성물은 Ag 함량이 증가함에 따라 더 어두워집니다. BiPbO₂의 UV-vis 흡수 스펙트럼 Cl 및 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물은 그림 5a에 나와 있습니다. 600nm 파장 이하의 강한 흡수는 BiPbO₂의 광학 밴드 갭과 관련이 있습니다. 클. BiPbO₂ 표면에 Ag를 로딩한 후 Cl, 450–800 nm 범위의 흡광도는 순수 BiPbO₂의 흡광도보다 높습니다. Ag와 BiPbO₂의 합성물에 의한 표면 플라즈몬의 흡수 특성으로 인한 Cl Cl [24]. 그 결과 BiPbO₂ 표면에 Ag를 로딩한 후 Cl, BiPbO₂의 가시광선 응답 범위 Cl이 증가합니다. 그림 5a에서 계산된 밴드 갭은 그림 5b에 나와 있습니다. Ag와 컴파운딩 후 BiPbO₂의 밴드갭 Cl은 2.05에서 1.68eV로 감소합니다. 또한 BiPbO₂의 광발광 방출 스펙트럼은 Cl 및 Ag/BiPbO₂ 광 발생 전자와 정공의 재결합 속도를 반영하기 위해 Cl 합성이 수행됩니다. 그림 5c와 같이 BiPbO₂ 표면에 Ag를 로딩한 후 PL 강도가 급격히 감소함 BiPbO₂에서 광 생성 전자의 빠른 이동에 기인한 Cl Cl에서 Ag로, 광 생성 전자와 정공의 재결합 속도 감소로 이어집니다[25].

<그림>

UV-vis 흡수 스펙트럼(a ) 및 광발광 방출 스펙트럼(b )의 BiPbO₂ Cl 및 0.5wt% Ag/BiPbO₂ Cl 합성물(c )

Ag/BiPbO₂의 높은 광촉매 활성 원리 Cl 합성물은 다음과 같다. 우선 Ag와 BiPbO₂의 조성으로 가시광선 응답범위가 증가합니다. 클. 둘째, BiPbO₂ 표면에 Ag의 로딩 Cl은 내부 전자기장을 생성할 수 있습니다. BiPbO₂일 때 Cl 반도체 표면은 Ag와 접촉하여 캐리어의 재분배가 실현됩니다. Ag의 페르미 준위가 BiPbO의 페르미 준위보다 낮기 때문에₂ Cl [26], BiPbO₂에서 광여기된 전자 이동 페르미 준위가 같아질 때까지 Cl에서 Ag 입자로 이동하여 그림 6b와 같이 내장 필드를 형성합니다. 광 생성 전자는 BiPbO₂에서 빠르게 이동합니다. 내부 전자기장의 도움으로 Cl에서 Ag로, Ag의 우수한 전도성. 셋째, 그림 6a와 같이 BiPbO₂에 의해 생성된 전자는 Cl은 분자 O₂를 감소시킵니다. O₂를 형성하기 위해 • 활성 종 [27]. 반면에 광 발생 구멍은 BiPbO₂ 표면에 남아 있는 경향이 있습니다. 클. 그런 다음 이 구멍은 BiPbO₂ 표면의 물 분자를 변형시킵니다. Cl에서 OH• 활성 종으로. O₂의 활성 종의 영향으로 • 및 OH•, MO 분자는 CO₂로 분해됩니다. 및 H₂ O. 이러한 결과는 BiPbO₂ 표면에 Ag의 로딩을 나타냅니다. Cl은 높은 가시광선 광촉매 활성을 생성할 수 있습니다.

<그림>

아 Ag/BiPbO₂의 기계적 예시 광촉매 활성을 위한 Cl 복합재. ㄴ Ag와 BiPbO₂ 계면에서의 밴드 구조 클. BiPbO₂에 사용된 데이터 Cl은 참조 [26]에서 가져온 것입니다.

결론

요약하면, 고효율 Ag/BiPbO₂ Cl 합성물은 열수 합성 및 광환원으로 제조되었습니다. 얻어진 0.5wt% Ag/BiPbO₂ Cl 나노시트 복합재료는 BiPbO의 3.6배인 광촉매 활성이 더 우수합니다₂ Cl 나노시트. BiPbO₂ 이후 Cl 나노시트와 Ag를 합성하면 가시광선 응답 범위가 증가하고 전자-정공 재결합 속도가 감소하여 가시광선 광촉매 특성이 향상됩니다. Ag/BiPbO₂의 우수한 광촉매 특성 Cl 합성물은 내부 전자기장, 높은 가시광선 응답 범위, 우수한 전도성 및 Ag의 낮은 페르미 준위에 기인합니다.