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플라즈몬 Ag@AgCl 나노결정을 가시광선 광촉매 활성이 강화된 ZnCo2O4 미소구체에 고정

초록

이 작업에서 복합 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 손쉬운 2단계 방법으로 제조된 미소구체 광촉매가 제시되며 X선 회절(XRD), 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDX), 투과 전자 현미경( TEM), 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM), 선택 영역 전자 회절(SAED), X선 광전자 분광법(XPS), UV-Vis 확산 반사 분광법(DRS) 및 Brunauer-Emmett-Teller(BET) ). 결과는 복합 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 광촉매는 좋은 미소구체 형태와 높은 결정성을 가지며 전체 스펙트럼 범위에서 흡수 강도가 순수한 ZnCo2보다 높습니다. O4 . 복합 Ag@AgCl/ZnCo2의 비표면적이 관찰됨 O4 광촉매와 로다민 B(RhB)의 흡착 효율은 Ag@AgCl의 증착 결과로 증가한다. Ag@AgCl/ZnCo2에서 O4 RhB의 분해 시스템, 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 분해 속도 O4 120분 이내에 99.4%가 되고 RhB는 거의 완전히 분해됩니다. 합성물 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 반응 속도 상수 O4 광촉매는 0.01063 min −1 인 것으로 밝혀졌습니다. , Ag@AgCl의 1.6배, ZnCo2 최소값의 10배 O4 . 또한, 라디칼 포획 실험은 Ag@AgCl/ZnCo2의 반응 시스템에서 O4 , Ag@AgCl/ZnCo2의 주요 산화 종 O4 광촉매는 과산화물 음이온(O · - 2 − 2 ) 및 구멍(h + ) 하이드록실 라디칼(·OH)이 아닙니다. 결과를 바탕으로 Ag@AgCl/ZnCo2의 Z-scheme 플라즈몬 광촉매 메커니즘 O4 RhB 저하를 설명하기 위해 복합 시스템이 제안되었습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

수중 유해 오염 물질로 인한 환경 문제는 전 세계적인 문제가 되었으며[1] 과학자와 기술자의 즉각적인 관심이 요구되고 있습니다[2,3,4]. 가시광선에 의한 폐수 내 유기 오염 물질의 나노 반도체 광촉매 분해는 고효율, 환경 보호 가능성[5,6,7], 태양 복사의 효과적인 이용[8,9] 때문에 흥미롭고 유망한 연구 분야입니다. 가장 중요한 광촉매 물질 중 하나인 TiO2 높은 광촉매 활성, 무독성, 저렴한 비용 및 우수한 화학적 안정성으로 인해 널리 연구되었습니다[10]. 그러나 넓은 밴드갭(3.2 eV for rutile, 3.0 eV for rutile)으로 인해 실용화에 큰 제약을 받아 자외선(태양에너지의 5%)만을 활용할 수 있다[11]. 따라서 광촉매 활성이 높은 가시광선 광촉매 시스템(태양에너지의 43%)이 태양복사를 효율적으로 활용하는 것이 바람직하다[12, 13].

ZnCo2 O4 Zn 2+ 을 포함하는 스피넬 산화물[14] 그룹에 속함 사면체 위치에 있고 Co 3+ 팔면체 장소에 머물기 [15]. 2.67eV[16]의 상대적으로 좁은 밴드 갭과 장거리(200–800nm) 광 응답[17]으로 인해 ZnCo2 O4 광촉매 유기 오염물질 분해에 적합한 후보가 될 수 있다[18]. 그러나 ZnCo2 O4 사진에서 영감을 받은 전자-정공 쌍과 주 표면 가시광선 광 흡수의 낮은 분리로 인해 불량한 양자 수율을 나타냅니다. 이로 인해 광촉매 효율이 낮아 실제 적용이 제한됩니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 ZnCo2 O4 다른 반도체와 함께 사용하면 광유도 전자의 분리를 개선하고 광촉매 활성을 높일 수 있는 좋은 전략이 될 수 있습니다. 예:라자쿠마르 아난타크리슈난 et al. 합성된 헤테로구조 양이온 도핑된 ZnO-ZnCo2 O4 나노복합체와 메틸오렌지의 탈색율은 가시광선에서 92%에 이르는 것으로 밝혀졌다[19].

문헌은 H2와 같은 다양한 Ag@AgCl 기반 이종 광촉매 시스템에 대한 연구를 보여줍니다. WO4 .H2 O/Ag/AgCl [20], Ag@AgCl-Bi2 MoO6 [21], Ag@AgCl/WO3 [22], Ag@AgCl/rGO [23]. AgCl의 대역폭은 3.25eV로 가시광선을 흡수할 수 없습니다. Ag@AgCl은 AgCl 표면에서 금속 Ag에 의해 생성되는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 효과에서 비롯되는 우수한 가시광 흡수를 나타냅니다[24]. 분산된 AgCl은 광유도 전하 캐리어 분리 효율을 촉진할 수 있습니다. Ag@AgCl의 뛰어난 가시광선 흡수와 향상된 캐리어 분리는 모두 광촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다.

위의 분석에서 ZnCo2 O4 광촉매 활성은 플라즈몬 Ag@AgCl 나노결정을 ZnCo2에 고정함으로써 분명히 향상될 수 있습니다. O4 . 여기서 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 합성물은 손쉬운 2단계 용매열법으로 제조되었습니다. 복합재는 X선 회절(XRD), 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDX), 투과 전자 현미경(TEM), 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM), 선택된 영역으로 특성화되었습니다. 전자 회절(SAED), X선 광전자 분광법(XPS), UV-Vis 확산 반사 분광법(DRS) 및 Brunauer-Emmett-Teller(BET). ZnCo2의 영향 O4 Ag@AgCl 로딩 전후의 구조적 특성 및 흡광도 특성을 주의 깊게 조사합니다. 로다민 B(RhB)의 광촉매 분해 활성 및 안정성도 제시됩니다. Ag@AgCl/ZnCo2에서 RhB의 분해 메커니즘을 밝히는 메커니즘 O4 광촉매 시스템을 제안합니다.

방법

ZnCo의 합성2 O4 마이크로파 보조 방법에 의한 마이크로스피어

일반적인 합성 절차에서 2.3g Zn(NO3 )3 .6H2 O, 4.48 g Co(NO3 )3 .6H2 O, 3.6g CO(NH2 )2 및 1.14g NH4 F를 100mL 탈이온수에 30분간 교반하면서 녹인 후 초음파 분산 30분간 하여 분홍색 용액을 얻었다. 상기 분홍색 용액을 300mL 폴리테트라플루오로에틸렌 반응기로 옮기고 반응기를 마이크로파 반응 장치에 연결하였다. 가열 속도는 8°C/min으로 설정하고 마이크로웨이브는 130°C에서 30분 동안 반응했습니다. 반응 종료 후 반응기를 상온으로 냉각하였다. 옅은 분홍색 전구체를 원심분리를 통해 수집하고, 탈이온수 및 무수 에탄올로 각각 3회 세척하여 가능한 잔류물을 제거한 다음, 오븐에서 80°C에서 10시간 동안 건조하고, 튜브 머플로에서 350°C에서 2시간 동안 하소했습니다. 샘플을 얻기 위해 1°C/min에서.

Ag@AgCl/ZnCo의 합성2 O4 미소구체

Ag@AgCl/ZnCo2의 일반적인 합성에서 O4 미소구체, 0.17g AgNO3 3:5의 부피비로 알코올과 물의 혼합 용매 80mL에 녹였습니다. 그런 다음 0.2g ZnCo2 O4 및 0.1 11g PVP를 자기 교반하에 상기 혼합 용액에 첨가하였다. 130°C에서 3시간 동안 가열한 후 Ag + -ZnCo2 O4 솔루션이 형성되었습니다. 또한 1.5g L −1 NaCl 수용액(20mL)을 상기 용액에 첨가한 다음, HCl(12 wt%)로 pH를 약 2.5로 조정하였다. 용액을 빛과 자기력을 피하여 24시간 동안 교반했습니다. 일부 Ag + 1000W 크세논 램프로 용액을 30분 동안 조사하여 용액에서 Ag로 환원되었습니다. Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매는 원심 분리에 의해 제조되었고 탈이온수와 무수 에탄올로 각각 3번 세척되었으며 오븐에서 80°C에서 6시간 동안 건조되었습니다.

또한, ZnCo2 없이 Ag@AgCl 촉매를 제조했습니다. O4 다른 조건은 변경되지 않습니다.

특성화

얻어진 샘플의 상 조성은 0.02°s −1 의 스캔 속도로 35kV의 Cu-Kα 방사선 소스를 사용하여 D/MaxRB X선 회절계(일본)에 기록되었습니다. 2θ 범위에서 10° ~ 75°. 에너지 분산 X선 스펙트럼(EDX)이 장착된 JSM-6510 주사 전자 현미경(SEM) 및 JSM-2100 투과 전자 현미경(TEM)으로 형태를 연구했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 데이터는 300W AlKα 방사선을 사용하여 VG Scientific의 ESCALab220i-XL 전자 분광계로 얻었습니다. 기본 압력은 약 3 × 10 −9 이었습니다. 밀리바. 결합 에너지는 비정질 탄소의 284.6eV에서 C1s 라인을 참조했습니다. 샘플의 BET 비표면적은 고속 자동화 영역 및 기공 크기 분석기(3H-2000PS1, 중국)로 조사되었습니다.

광촉매 활성 측정

준비된 Ag@AgCl ZnCo2의 광촉매 활성 O4 미소구체 촉매는 수용액에서 로다민 B(RhB)의 광분해에 의해 평가되었습니다. 모든 실험에서 50mg의 촉매를 50mL의 RhB 수용액(10mg L -1 ). 광조사 전, 흡착-탈착 평형을 확인하기 위해 어둠 속에서 30분 동안 현탁액을 충분히 교반하였다. 현탁액의 온도는 반응 중 냉각수의 흐름에 의해 283K 이하로 유지되었고 조사는 1000W Xenon 램프로 수행되었다. 조사 시간에 따른 RhB 농도 변화(C)는 LAMBDA35 자외선/가시광선 분광광도계(λ =553 nm, Perkin Elmer Instruments Co, Ltd., America)로 측정하였다. 시간 함수로 탈색율은 C로 표현됩니다. /C 0 , 여기서 C 0 RhB 및 C의 초기 농도입니다. t 용액의 순간 농도입니다. 샘플의 사이클 안정성은 다음과 같이 검출됩니다. 광촉매 성능 후, 샘플은 여러 번 세척 및 건조 후 수집됩니다. 그런 다음 위에서 언급한 실험의 재사용 횟수를 4회 반복했습니다.

결과 및 토론

촉매의 상 구조 및 결정 형태는 XRD에 의해 결정되었다. 그림 1에서 ZnCo2의 XRD 스펙트럼 O4 , Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매를 나타냈다. ZnCo2의 회절 피크 O4 18.96°, 31.215°, 36.805°, 44.738°, 59.282° 및 65.149°에서 관찰되었으며, 이는 (111), (220), (311), (400), (511) 및 (440) 결정면에 해당합니다. 큐빅 스피넬 구조의 ZnCo2 O4 (JCPDS No. 23-1390), 각각 ZnCo2 O4 마이크로파를 이용한 방법으로 합성하였다. Ag@AgCl 로드 후 Ag@AgCl/ZnCo2에서 27.8°, 32.2°, 46.2°, 54.8°, 57.5° 및 67.5°의 특성 회절 피크 O4 입방정 AgCl(JCPDS No. 85-1355)의 (111), (200), (220), (311), (222), (400) 면에 해당합니다. 또한 Cubic Ag(JCPDS No. 87-0719)와 결합하여 Ag@AgCl/ZnCo2의 XRD 스펙트럼 O4 는 38.2°에서 Ag 나노입자의 특징적인 회절 피크가 하나 있음을 보여주며, 이는 촉매에 Ag가 존재함을 나타냅니다. 일부 Ag + 때문에 광 환원 과정에서 Ag 입자로 환원되어 Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 성능을 만든다. O4 가시광선에서 크게 개선되었습니다.

<사진>

준비된 ZnCo2의 XRD 패턴 O4 및 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 미소구체 샘플

그림 2a에서 구형 ZnCo2 O4 직경이 5~8μm인 미세구조가 마이크로파 보조 방법을 통해 성공적으로 준비되었습니다. ZnCo2 O4 미소구체 구조는 적층된 라멜라로 구성됩니다(그림 2b). 그림 2c는 Ag@AgCl/ZnCo2의 SEM 이미지입니다. O4 로딩 후. 구형 ZnCo2 표면에 Ag@AgCl 나노결정이 로딩되었음을 알 수 있다. O4 . Ag@AgCl/ZnCo2의 형태를 더 관찰하기 위해 O4 , Ag@AgCl/ZnCo2의 TEM 이미지 O4 그림 2d에 나와 있습니다. TEM 이미지에서 ZnCo2 표면에 10~50nm Ag 나노입자가 균일하게 부착되어 있음을 알 수 있습니다. O4 , 20–100nm AgCl 입자가 ZnCo2 표면에 분산되어 있습니다. O4 . 그림 2e는 Ag@AgCl/ZnCo2의 HRTEM을 보여줍니다. O4 . Ag 및 AgCl 입자가 ZnCo2에 로드된 것을 볼 수 있습니다. O4 및 Ag, AgCl 및 ZnCo2의 프린지 간격 d O4 결정면 Ag(111), AgCl(220) 및 ZnCo2에 해당하는 0.235, 0.196 및 0.244nm입니다. O4 (220), 각각. 그림 2f는 Ag@AgCl/ZnCo2의 SAED입니다. O4 . Ag@AgCl/ZnCo2의 회절 고리 O4 규칙적이고 밝으며 좋은 결정성을 가진 다결정질임을 나타냅니다. 3개의 결정면은 0.244nm, 0.235nm, 0.196nm의 격자 간격을 가지며 이는 HRTEM 결과와 잘 일치합니다. Ag@AgCl/ZnCo2의 EDX 이미지 O4 그림 2g의 샘플은 O, Co, Zn, Cl 및 Ag의 5가지 요소로 구성되어 있음을 보여줍니다. 이미지에서 피크의 강도는 각 요소의 내용을 나타냅니다. Zn, Co, O는 ZnCo2로 구성 O4 , 반면 Ag 및 Cl은 Ag@AgCl로 구성됩니다. EDX는 Ag@AgCl/ZnCo2에 해당하는 화학 원소를 확인했습니다. O4 다른 요소를 감지하지 못했습니다. 결론적으로, Ag@AgCl은 ZnCo2 표면에 균일하게 분산되어 로딩되는 것을 명확하게 결정할 수 있다. O4 마이크로스피어.

<그림>

, b ZnCo2의 SEM 이미지 O4 미소구체. Ag@AgCl/ZnCo2의 SEM, TEM 및 HRTEM 이미지 O4 미소구체. , Ag@AgCl/ZnCo2의 SAED 및 해당 EDS 패턴 O4

X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 생성물의 조성과 화학적 원자가를 결정했습니다. 그림 3과 같이 그림 3a는 제품의 전체 스펙트럼 스캔입니다. 제품에는 Zn, Co, O, Ag, Cl 및 C의 6가지 원소가 포함되어 있으며 그 중 C가 염기임을 알 수 있습니다. 그림 3b는 Zn 2p의 방출 스펙트럼을 보여줍니다. Zn 2p1/2의 지역적 피크에 해당하는 두 개의 주요 피크가 1045eV 및 1022eV에 나타납니다. 및 Zn 2p3/2 [25, 26]. Zn 2p3/2 1022eV 근처는 단일 피크이며, 이는 Zn 2+ 의 일반적인 산화 상태입니다. . 그림 3c는 Co 2p1/2의 지역적 피크에 해당하는 Co의 XPS 피크를 보여줍니다. 및 공동 2p3/2 781.4 eV 및 796.9 eV에서, 그리고 785.2 eV에서 관찰된 명백한 위성 피크는 Co 3+ 의 특징적인 피크입니다. 산화 상태 [27]. 그림 3d는 O1의 XPS 스펙트럼입니다. 비대칭 피크는 결합 에너지가 각각 530.5eV 및 535.01eV인 특성 피크의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 이 두 그룹의 특징적인 피크는 스피넬 ZnCo2의 산소에 해당합니다. O4 격자와 물질 표면에 흡착된 물 분자 또는 ·OH 기 [28]. Ag 3d 궤도의 XPS 스펙트럼은 그림 3e에 나와 있습니다. 367.3 eV 및 373.5 eV에서 Ag 3d의 결합 에너지는 Ag 3d5/2의 스핀 절단 궤도에 해당합니다. 및 Ag 3d3/2 , 각각 [29]. Ag 3d5/2의 스핀 분할 궤도 피크 분할 소프트웨어를 사용하여 368.0 eV 및 366.8 eV 피크로 더 분해할 수 있습니다. 유사하게, Ag 3d3/2의 스핀 분할 궤도 374.0eV 및 372.6eV 피크로 분해될 수 있으며 그 중 368.0eV 및 374.6eV는 Ag 0 에 속합니다. , 366.8 eV 및 372.6 eV는 Ag + 에 속합니다. , AgCl 및 Ag가 촉매에서 형성됨을 나타냅니다. 그림 3f는 Cl 2p의 XPS 분석도이며, Cl 2p의 전자 결합 에너지는 197.9eV에서 나타납니다.

<그림>

Ag@AgCl/ZnCo2의 XPS 스펙트럼 O4 :a 설문조사 스캔, b Zn 2p, c 공동 2p, d O 1 s, e Ag 3d 및 f Cl 2p

ZnCo2의 UV-Vis 확산 반사 흡수 스펙트럼 O4 및 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매는 그림 4a, c에서 비교되었습니다. 결과는 모든 샘플이 UV-Vis 영역에서 강한 흡수를 보였고 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 ZnCo2보다 더 강한 흡수 능력을 가짐 O4 . ZnCo2의 금지 대역 폭 O4 및 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매는 Kubelka-Munk 공식[30]에 따라 계산됩니다.

$$ \mathrm{A} hv=\mathrm{c}{\left( hv-\mathrm{예}\right)}^n $$ <그림>

ZnCo2의 UV-Vis 확산 반사 스펙트럼 O4 . (αhv의 플롯 ) 2 에너지 대 (hv ) ZnCo2의 밴드 갭 에너지 O4 . 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 UV-Vis 확산 반사 스펙트럼 O4 . d (αhv의 플롯 ) 2 에너지 대 (hv ) 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 밴드 갭 에너지에 대해 O4

그 중 A 흡수 계수, h 플랑크 상수, v 는 빛의 주파수, c 는 상수, Eg는 밴드갭 너비, n 직접 반도체의 경우 상수 계수, n =1/2, 간접 반도체의 경우, n =2.

그림 4b, d는 밴드 갭 에너지(αhv ) 2 및 에너지(hv ) ZnCo2의 다이어그램 O4 및 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매. 밴드 갭 너비는 각각 2.63eV 및 2.55eV입니다. ZnCo2와 비교 O4 , Ag@AgCl/ZnCo2 O4 촉매는 밴드 갭이 좁고 가시광선에 의해 더 쉽게 여기되어 자유 라디칼을 생성하므로 Ag@AgCl/ZnCo2O4의 광촉매 성능이 더 좋을 것으로 예상됩니다.

비표면적은 광촉매의 활성에 중요한 요소 중 하나이다. ZnCo2의 비표면적 및 기공 크기 분포 O4 및 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 N2에서 샘플을 얻었습니다. 흡착-탈착 등온 측정. 얻어진 곡선은 그림 5에 나와 있습니다. N2 두 샘플의 흡착-탈착 등온선은 명백한 히스테리시스 루프를 보여주고 유형 IV 등온선에 속하여 나노시트로 구성된 마이크로스피어가 메조포러스 구조를 갖는다는 것을 증명했습니다. 메조다공성 ZnCo2의 형성 O4 미소구체는 주로 나노시트의 자가 조립 동안 형성된 공극과 Ag@AgCl 로딩 동안 나노입자의 무작위 적층에 기인한다. ZnCo2의 BET 비표면적 O4 및 Ag@AgCl/ZnCo2 O4 샘플은 N2로 측정되었습니다. 흡착법. 샘플의 BET 비표면적은 9.977m 2 입니다. /g 및 11.67m 2 /g, 각각. 결과는 ZnCo2의 비표면적이 O4 미소구체는 Ag@AgCl을 로딩하여 증가될 수 있으며, 이는 주로 직경이 50-100nm인 Ag @AgCl 나노입자의 큰 비표면적 때문입니다. 비표면적이 크면 재료가 더 나은 흡착 성능을 가질 수 있을 뿐만 아니라 더 많은 활성 부위를 제공하고 전하 캐리어의 이동을 촉진하여 재료의 광촉매 성능을 더욱 촉진하는 데 도움이 됩니다.

<그림>

ZnCo2의 질소 흡탈착 등온선 및 기공 크기 분포 O4 및 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 샘플

또한, N2의 탈착 분기 곡선 두 샘플의 흡착-탈착 등온선은 Barrett-Joyner-Halender(BJH) 모델에 의해 계산되었습니다. 샘플의 기공 크기 분포 곡선은 그림 5의 삽입에 나와 있습니다. 기공 크기 분포 곡선은 ZnCo2의 기공 크기 분포를 보여줍니다. O4 Ag@AgCl/ZnCo2가 15.96nm인 반면 O4 주로 24.47nm에 있습니다. 이러한 기공 구조는 반응물의 흡착, 생성물의 수송 및 광에너지의 포착에 매우 도움이 되어 재료의 광촉매 특성을 향상시킵니다.

준비된 시료의 광촉매 활성을 알아보기 위해 RhB 분해 실험을 가시광선에서 수행하였다. 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 광촉매 분해 중 RhB의 변화 O4 UV-Vis 전체 파장 스캐닝에 의해 분석되었습니다. 결과는 그림 6a에 나와 있습니다. RhB의 흡수 피크는 RhB 분자, 즉 RhB 염료 분자의 발색기인 아조 결합의 특징적인 흡수인 553nm 부근에 있습니다. 반응 시간이 지남에 따라 553 nm에서 피크 강도가 점점 낮아져 RhB의 발색단 그룹이 광촉매의 작용으로 파괴되었음을 나타냅니다. 조사 120분 후 RhB 분자는 완전히 탈색되었으며 550nm에서 피크 강도는 거의 0으로 RhB 염료의 아조 구조가 완전히 파괴되었음을 나타냅니다. 또한, 분해 과정에서 RhB 분자의 흡수 피크 모양이 광범위하게 변화하고 피크의 약간의 파란색 이동이 나타나 분해 과정에서 일부 작은 분자 중간체가 생성되었음을 나타냅니다.

<그림>

0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 가시광선 스캐닝 패턴 O4 RhB의 분해. 가시광선에서 RhB의 광촉매 분해에 대한 다양한 촉매의 효과. 다른 촉매에 의한 RhB 분해에 대한 1차 운동 피팅 플롯. d 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 순환 실행 O4 RhB 분해를 위한 미소구체

그림 6b와 같이 ZnCo2에 대한 RhB의 광촉매 분해 과정 O4 , 0.1Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , 0.3Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , 및 Ag@AgCl 촉매를 조사했습니다. 다양한 촉매의 광촉매 성능을 분석하고 비교합니다. 결과는 순수한 ZnCo2 O4 광촉매 분해는 최악이었고 120분 동안 광촉매 분해율은 28%에 불과했습니다. 0.3Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 분해율 O4 120분에 48.8%입니다. 0.1Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 분해율 O4 120분에 85.4%로 나타났으며, 이는 Ag@AgCl 86.3%의 광촉매 분해율에 매우 가깝습니다. 결과는 120분 이내에 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 분해가 99.4%임을 나타냅니다. O4 발생하고 RhB가 완전히 분해되는 것으로 밝혀졌습니다. 실험 결과는 Ag@AgCl이 ZnCo2의 광촉매 분해 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. O4 광촉매.

다른 촉매의 광촉매 반응의 동역학 모델을 연구하기 위해 그림 6c는 방정식 –ln(C/C0 ) =kt. 그래프에서 (C /C 0 )는 반응 시간 t와 선형 상관 관계가 있습니다. 그리고 k RhB의 광촉매 분해가 유사 1차 운동 모델을 따른다는 것을 나타내는 겉보기 반응 속도 상수입니다. 표 1과 같이 k 각 샘플의 값은 곡선의 선형 피팅 후에 계산되었습니다. 표 1과 같이 ZnCo2의 반응속도상수는 O4 , 0.1Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , 0.3Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , Ag@AgCl은 0.00107 min −1 입니다. , 0.0071분 −1 , 0.01063 분 −1 , 0.00239 분 −1 및 0.00657 분 −1 , 각각. 그 중 반응속도상수 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 가장 큰 값은 0.01063분 −1 입니다. , Ag@AgCl의 1.6배 및 ZnCo2 최소값의 10배 O4 . 이것은 Ag@AgCl과 ZnCo2의 합성물이 O4 ZnCo2 표면에서 Ag@AgCl을 지원할 수 있습니다. O4 Ag@AgCl의 분산을 촉진하여 촉매의 비표면적을 증가시키고 더 많은 활성 부위를 제공하여 기질의 광촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다.

촉매의 안정성은 실제 적용에 중요한 요소입니다. 그림 6d는 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 안정성 테스트 결과입니다. O4 네 번 재활용했습니다. 도 6d에서 촉매의 분해 효과는 4회 재순환 후에도 뚜렷한 변화가 없음을 알 수 있다. 샘플의 분해율은 99.4%에서 85%로 감소합니다. 분해 속도의 감소는 각 사이클 동안 손실된 촉매의 양이 적기 때문일 수 있습니다. 세척 중 고속 원심분리로 촉매의 손실을 줄일 수 있습니다. 간단히 말해서, 0.2Ag@AgCl/ZnCo2의 안정성 O4 촉매 손실 없이 실험 조건이 허용된다면 여전히 매우 우수하므로 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 새로운 유형의 가시광촉매로서 가치와 실용화 가능성이 매우 높습니다.

Ag@AgCl/ZnCo2의 활성 인자를 이해하려면 O4 RhB 과정의 광촉매 분해, 광촉매 포획 실험을 탐구하였다. 여기서, 수산기(·OH), 슈퍼옥사이드 음이온(O ·- 2 ) 및 구멍(h + )는 각각 1mmol의 이소프로판올(IPA), p-벤조퀴논(BQ) 및 트리에탄올아민(TEOA)을 첨가하여 켄칭됩니다. 그림 7은 광촉매 반응 과정에서 다양한 활성 인자의 포획이 반응 속도에 미치는 영향을 보여줍니다. 그래프에서 볼 수 있듯이 IPA 1mmol을 30분 동안 첨가한 후 RhB의 분해율이 RhB의 분해율과 거의 비슷함을 알 수 있습니다. BQ 또는 TEOA를 첨가한 후 RhB의 분해 정도가 크게 감소했으며, 특히 TEOA를 첨가할 때 분해율은 0에 가까웠다. 따라서 우리는 Ag@AgCl/ZnCo2의 주요 활성 인자가 O4 광촉매는 과산화물 음이온(O ·− 2 ) 및 구멍(h + ), 하이드록실 라디칼(·OH)이 아닙니다.

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광촉매 반응 중 활성종의 포획 실험

실험 결과와 이론적 연구를 바탕으로 우리는 RhB의 광촉매 분해에 대한 Z-scheme 메커니즘을 제안했습니다. 반응식 1과 같이 Ag 나노입자와 ZnCo2 O4 미소구체는 가시광선 조사 하에서 광생성된 전자-정공 쌍을 생성하기 위해 여기되었다. 그런 다음 Ag 나노 입자의 전자는 AgCl의 전도성 밴드로 이동하고 O2 AgCl 표면에 흡착되어 전자를 포획하여 O ·- 생성 2 , 광 생성된 구멍은 Ag 나노 입자의 가전자대에 남아 있습니다. ZnCo2용 O4 , 상대적으로 비표면적이 크고 흡착력이 강하여 오염 물질에 더 많은 흡착 사이트를 제공할 수 있습니다. 흡착된 오염 물질은 오염 물질 분해를 위해 촉매 표면의 분해 중심으로 이동될 수 있습니다. ZnCo2의 밴드 갭 O4 2.63eV입니다. ZnCo2의 전도대 및 가전자대 에너지 준위 O4 ca입니다. − 1.98 eV 및 0.65 eV(vs. NHE) [31]. ZnCo2의 가전자대에서 광 생성된 구멍이 있음을 보여줍니다. O4 주로 광 생성된 정공의 에너지가 반응 위치 에너지(E(OH - )보다 0.65eV(vs. NHE) 낮기 때문에 대상 오염 물질의 분해에 직접적으로 관여하지 않습니다. /·OH) =1.99eV(vs. NHE)). ZnCo2에서 광생성된 전자가 O4 쇼트키 장벽에 의해 Ag 나노 입자로 전도대가 이동하고 Ag 나노 입자에 남겨진 광 생성 구멍과 재결합합니다. AgCl의 밴드 갭 폭이 3.25eV이므로 AgCl의 전도대 및 가전자대 에너지 준위는 약 3.25eV입니다. − 0.09eV 및 3.16eV(vs. NHE), 가시광선으로 여기될 수 없음 Ag 나노입자의 광발생 전자는 AgCl 전도대로 이동하고 대상 오염물질의 분해에 참여합니다. 주로 광발생 전자의 에너지 - 0.09eV(vs. NHE)가 O2<에서의 반응 위치 에너지보다 더 음이기 때문입니다. /서브> /O ·− 2 (E(O2 /O ·− 2 ) =− 0.0 46 eV(vs. NHE)) [32]. ZnCo2의 가전자대에서 광 생성된 구멍 O4 AgCl 표면으로 이동하여 Cl - 과 결합 AgCl에서 Cl · 을 형성 급진파. 클 · 라디칼은 강하게 산화되며 RhB를 효과적으로 분해하고 CO와 같은 작은 무기 분자로 광물화할 수 있습니다.2 및 H2 O, 그리고 자신은 Cl - 로 환원됩니다. . 이러한 Cl - 그런 다음 Ag + 와 결합됩니다. 시스템의 안정성을 보장하기 위해 AgCl을 재생합니다. 결과는 담금질 실험과 일치합니다. Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 분해 과정에서 O4 , 주요 활성 인자는 과산화물 음이온(O ·− 2 ) 및 구멍(h + ), 하이드록실 라디칼(·OH)이 아닙니다.

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Ag@AgCl/ZnCo2의 광촉매 메커니즘의 개략도 O4 미소구체

요약하면 광촉매 전자-정공 쌍의 형성, 이동 및 변형과 광촉매 반응 중 오염 물질의 최종 분해 경로는 다음과 같이 요약됩니다.

    <리> (1)

    광전자 정공 쌍의 생성:

$$ \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4+\mathrm{hv}\to \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}} _4\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}} ^{+}\right) $$ $$ \mathrm{Ag}+\mathrm{hv}\to \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{ Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\right) $$
  1. (2)

    Migration and transformation of photogenerated hole electron pairs:

$$ \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{Ag}\left({\mathrm{h}}^{+}\right)\to \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4+\mathrm{Ag} $$ $$ \mathrm{Ag}\left({\mathrm{e}}^{-}\right)+\mathrm{AgCl}\to {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{AgCl} $$ $$ \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4\left({\mathrm{h}}^{+}\right)+{\mathrm{Cl}}^{-}\to \mathrm{Zn}{\mathrm{Co}}_2{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{Cl}}^0 $$
  1. (3)

    Degradation of pollutants:

$$ {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Degradation}\ \mathrm{product}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O} $$ $$ {\mathrm{Cl}}^0+\mathrm{RhB}\to \mathrm{Degradation}\ \mathrm{product}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\ \mathrm{O}+{\mathrm{Cl}}^{-} $$

결론

In summary, the composite Ag@AgCl/ZnCo2 O4 microspheres photocatalyst was prepared by a facile two-step method and characterized by a set of complementary structural and electronic characterization tools such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X ray spectroscopy (EDX), transmission electron microscopy (TEM), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), selected area electron diffraction (SAED), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS), and Brunauer-Emmett-Teller (BET). Present results show that the composite photocatalyst has good crystal morphology, is highly crystalline, and the absorption intensity of Ag@AgCl/ZnCo2 O4 composite photocatalyst in the whole spectrum range is higher than that of pure ZnCo2 O4 . The specific surface area of Ag@AgCl/ZnCo2 O4 composite photocatalyst and the adsorption efficiency of RhB are found to increase as a result of Ag@AgCl deposition. In the degradation system of RhB, the photocatalytic degradation of pure ZnCo2 O4 was the worst and the photocatalytic degradation rate for 120 min is found to have a very low value of 28%. The photocatalytic degradation rate of Ag@AgCl for 120 min is seen to be 86.3%. The results indicate that within 120 min, 99.4% photocatalytic degradation of 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 takes place and RhB is found to be completely degraded. The reaction rate constant of 0.2Ag@AgCl/ZnCo2 O4 composite photocatalyst is the highest showing a value of 0.01063 min −1 , which is 1.6 times that of Ag@AgCl and 10 times of the minimum value of ZnCo2 O4 . In the reaction system of Ag@AgCl/ZnCo2 O4 , the main active factors of Ag@AgCl/ZnCo2 O4 photocatalyst are found to be superoxide anion (O ·− 2 ) and hole (h + ) and not hydroxyl radical (·OH). The photocatalytic mechanism of composite Ag@AgCl/ZnCo2 O4 photocatalyst for the RhB degradation can be explained by a plasmonic Z-scheme photocatalytic mechanism, where the photogenerated electrons from the ZnCo2 O4 conduction band at the contact interface of composite photocatalyst Ag@AgCl/ZnCo2 O4 transfer to Ag nanoparticles by the Schottky barrier and recombine with photogenerated holes left on the Ag nanoparticles.

약어

베팅:

Brunauer-Emmett-Teller

바베큐:

p-Benzoquinone

DRS:

UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy

EDX:

Energy dispersive X ray spectrometer

HR-TEM:

고해상도 투과전자현미경

IPA:

이소프로판올

RhB:

로다민 B

SAED:

선택된 영역 전자 회절

SEM:

주사전자현미경

SPR:

Surface plasmon resonance

TEM:

투과전자현미경

TEOA:

Triethanolamine

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절


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