광촉매 성능이 향상된 ZnTiO3/Bi4NbO8Cl 이종접합 구조

초록

이종 접합을 구성하는 것은 광촉매의 광촉매 성능을 향상시키는 효과적인 전략입니다. 여기에서 우리는 ZnTiO₃를 제작했습니다. /Bi₄ NbO₈ 일반적인 기계적 혼합 방법을 통해 성능이 향상된 Cl 이종 접합. 이종 접합에 대한 로다민(RhB) 분해 속도는 개별 ZnTiO₃의 분해 속도보다 높습니다. 또는 Bi₄ NbO₈ 크세논 아크 램프 조사에서 Cl. ZnTiO₃ 결합 Bi₄ 포함 NbO₈ Cl은 광 여기된 운반체의 재조합을 억제할 수 있습니다. 개선된 양자 효율은 과도-광전류 응답(PC), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS), 광발광(PL) 스펙트럼 및 시간 분해 PL(TRPL) 스펙트럼에 의해 입증되었습니다. 이 연구는 산업 응용 분야의 광촉매에 유용할 수 있습니다.

소개

광촉매는 최근 몇 년 동안 큰 관심을 받고 있으며 이미 태양 전지, 물 분해 및 정수 분야에서 적용되고 있습니다[1,2,3,4]. 산화물 기반 반도체는 활성 광촉매[5]이며 TiO₂로 대표되는 것으로 보고되었습니다. [6, 7], ZnO [8] 등. 그러나 개별 원시 ZnO 또는 TiO₂ 만족스러운 광촉매 성능을 나타내지 않습니다. 특히, ZnTiO₃ 페로브스카이트형 산화물에서 더 나은 성능을 보여줍니다. ZnTiO₃ 가스 센서 및 광촉매 등의 분야에서 활용되고 있다[9, 10]. 그러나 ZnTiO₃의 넓은 밴드갭은 (3.1 ~ 3.65 eV) [9,10,11,12,13] 태양 에너지 사용을 제한합니다. 한편, 광발생 전하의 높은 재결합율은 또 다른 제한 요인이다. 광촉매 성능을 높이기 위한 조치가 필요합니다. 실현 가능하고 편리한 경로 중 하나는 ZnTiO₃를 결합하는 것입니다. 이종 접합 구조를 형성하기 위해 일종의 좁은 밴드 갭 반도체와 함께 [14]. 좁은 밴드 갭 반도체는 감광제로 작용하여 광 수확 능력과 광촉매 성능을 증가시킬 수 있습니다.

Bi₄ NbO₈ 좁은 밴드 갭(~ 2.38 eV), 계층 구조, 에너지 밴드의 적절한 포텐셜[15,16,17]을 포함하여 여러 장점으로 빛 수확을 증가시킬 수 있는 유망한 후보인 Cl이 연구원의 시야에 나타납니다. 낮은 밴드 갭 에너지와 계층 구조로 인해 이 물질은 520nm 미만의 파장을 가진 빛을 흡수하고 전하 이동에 도움이 될 수 있습니다[18]. Bi₄를 기반으로 하는 일부 이종접합 NbO₈ Bi₂와 같은 Cl이 준비되었습니다. S₃ /Bi₄ NbO₈ Cl [17] 및 g-C₃ N₄ /Bi₄ NbO₈ Cl [19]. 따라서 ZnTiO₃ 구성 /Bi₄ NbO₈ Cl 이종접합은 광촉매 성능을 향상시키는 유용한 수단이 될 수 있습니다.

이 연구에서 우리는 일련의 ZnTiO₃ /Bi₄ NbO₈ Cl 이종접합 및 크세논-아크 램프 조사 하에서 RhB 열화에 의한 광촉매 성능을 평가합니다. 우리의 결과는 이종 접합의 성능이 개별 구성 요소의 성능보다 우수함을 나타냅니다. 이종접합의 형성은 전자와 정공의 결합을 느리게 할 수 있으며, 이는 RhB의 분해 활성을 향상시킵니다. 가능한 광촉매 메커니즘에 대해 자세히 설명합니다.

실험

자료

산화비스무트(Bi₂ O₃ ), 에탄올(C₂ H₆ O), 테트라부틸 티타네이트(C₁₆ H₃₆ O₄ Ti), 아세트산(CH₃ COOH) 및 질산아연(Zn(NO₃ )₂ •6H₂ O) Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd에서 입수했습니다. 비스무트 옥시클로라이드(BiOCl) 및 오산화니오븀(Nb₂ O₅ )는 Energy Chemical(Shanghai, China)에서 입수했습니다. 이 작업에 사용된 모든 시약은 분석 등급이며 추가 정제가 없습니다.

Bi₄ 준비 NbO₈ Cl

Bi₄ NbO₈ Cl은 볼 밀 혼합 및 고체 상태 반응 방법에 의해 합성되었습니다. 재료의 혼합은 커런덤 밀링 용기와 커런덤 볼이 장착된 유성 볼 밀러(Grinoer-BM4, 중국)에서 수행되었습니다. Bi₂ O₃ (18 g), BiOCl(12 g) 및 Nb₂ O₅ (6g)을 칭량하고 에탄올(30mL)을 분산액으로 하여 밀링 용기에 혼합하고 50개의 볼(직경 10mm)을 첨가한 후 300rpm에서 2시간 동안 볼 밀링하였다. 분쇄 후, 혼합 시약을 60°C에서 12시간 동안 건조하고 공기 중에서 600°C(가열 속도 5°C/분)에서 10시간 동안 소성했습니다. 마지막으로 Bi₄의 노란색 분말 NbO₈ Cl을 얻었습니다.

ZnTiO의 준비₃

졸-겔 절차를 사용하여 ZnTiO₃를 준비했습니다. 가루. 일반적인 합성에서 34mL의 테트라부틸 티타네이트(0.1mol)를 35mL의 에탄올에 용해하여 용액 A를 형성했습니다. 5mL의 탈이온수, 15mL의 아세트산(CH₃ COOH) 및 일정량의 Zn(NO₃ )₂ •6H₂ O를 35mL의 에탄올에 연속적으로 용해시켜 용액 B를 형성한 다음, 용액 B를 용액 A에 자석 교반하에 적가하였다. 30분 동안 교반을 추가한 후 투명한 졸이 얻어졌으며, 이는 24시간의 휴지 기간 동안 겔을 형성했습니다. 겔을 105°C에서 12시간 동안 건조한 다음 생성된 생성물을 600°C에서 3시간 동안 2°C/min의 가열 속도로 하소하여 최종 ZnTiO₃를 얻었다. 분말.

ZnTiO의 준비₃ /Bi₄ NbO₈ C1 이종접합

일반적인 실험에서 400mg Bi₄ NbO₈ Cl 및 일정량의 ZnTiO₃ (ZnTiO₃의 질량비 :Bi₄ NbO₈ Cl =10%, 20%, 30%)를 혼합하여 10분간 분쇄한 후 에탄올 10mL에 분산시킨 후 30분간 초음파 처리하였다. 생성된 혼합물을 60°C에서 12시간 동안 건조한 다음, 300°C에서 2시간 동안 하소했습니다. 가공된 샘플은 10% BNZ, 20% BNZ 및 30% BNZ로 표시되었습니다.

특성화

X선 분말 회절(XRD) 측정은 D-max 2500 XRD 분광계(Rigaku)로 기록되었으며 스캔 범위는 10°/min으로 10–80°였습니다. 준비된 샘플의 형태는 주사전자현미경(SEM, JSM-6700F, JEOL, Japan) 및 투과전자현미경(TEM, JEM-2100, JEOL, Japan)으로 특성화되었다. 에너지 분산 분광법 및 원소 매핑 분석은 주사형 전자현미경에 장착된 X선 분광기를 이용하여 얻었다. UV-vis 확산 반사 스펙트럼(UV-vis DRS)은 BaSO₄ 분말은 참고로 사용되었습니다. 광발광(PL) 및 시간 분해 과도 PL 붕괴 스펙트럼은 각각 여기 파장이 365nm인 Hitachi FL-4600 및 Edinburgh FLS1000 형광 분광광도계에서 기록되었습니다.

광촉매 실험

RhB 광분해는 샘플의 광촉매 성능을 평가하기 위한 모델 반응으로 조사되었습니다. 50mg의 광촉매를 50mL RhB 용액(5mg/L)에 분산시켜 석영 광반응기 용기에 넣었습니다. 원자로에서 15cm 떨어진 곳에 500W 크세논 아크 램프를 광원으로 사용했습니다. 초기에 혼합물은 흡착-탈착 평형에 도달하기 위해 자기 교반 하에 30분 동안 암실에서 유지되었습니다. 나중에, 현탁액(4mL)의 분취량을 샘플링하고 30분의 지정된 간격으로 원심분리했습니다. Agilent Technologies Cary 5000 분광광도계로 염료 농도를 분석했습니다.

비교를 위해 일정량의 Bi₄ NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ (ZnTiO₃의 질량비 :Bi₄ NbO₈ Cl =20%)를 석영 광반응기 용기에 직접 첨가하여 광촉매 활성 평가 실험을 수행하였다. 이 샘플의 결과는 20% BNZ-C로 명명되었습니다("C"는 비교를 의미합니다).

포획제 실험의 과정은 하이드록실 라디칼 제거제로 isopropanol(IPA) 40μL, 슈퍼옥사이드 라디칼 제거제로서 p-benzoquinone(BQ) 0.005g, 에틸렌디아민테트라아세트산 이나트륨염 0.0158g을 각각 첨가한 광촉매 활성 평가와 동일하다. (EDTA-2Na) 정공 포착제 및 브롬산칼륨 0.078g(KBrO₃ ) 전자 트래핑 에이전트로 사용.

전기화학 측정

광전기화학적 특성은 촉매 증착된 FTO 유리, Pt 플레이트 및 Ag/AgCl 전극을 광양극, 상대 전극 및 기준 전극으로 각각 사용하는 표준 3전극에서 CHI760E 전기화학 시스템(중국 상하이 천화)에서 측정되었습니다. 한편, 0.5M Na₂ SO₄ 전해액으로 사용하였다. 500W Xe 램프를 광원으로 사용하여 일시적인 광전류 측정을 수행했습니다. Mott-Schottky 측정은 1000Hz의 주파수에서 수행되었습니다. 작업 광양극은 다음과 같이 제조되었습니다:30mg 샘플, 키토산(1% wt%) 및 아세트산(1% wt%)의 혼합 용액 300μL를 20분 동안 교반하여 혼합하여 현탁액을 제조했습니다. 그런 다음, 위의 혼합물을 FTO 유리(3 × 1 cm)에 적가하고 40°C에서 건조했습니다.

결과 및 토론

샘플의 결정 구조는 그림 1a와 같이 XRD 결과[20]에서 감지할 수 있습니다. 23.7°, 26.0°, 29.6°, 32.6°, 46.7° 및 56.3°에서 특성 회절 피크는 (112), (114), (116), (020), (220) 및 ( 316) 베어 Bi₄의 평면 NbO₈ C1(JCPDS 카드 84-0843). 결정면 (220), (311), (400), (422), (511), (440)은 입방정 페로브스카이트 ZnTiO₃와 잘 일치합니다. 구조(셀 상수가 a =b =c =0.841 nm인 공간 그룹 R-3, JCPDS 카드 39-0190). BNZ 샘플의 XRD 패턴은 Bi₄의 XRD 패턴과 유사합니다. NbO₈ Cl, ZnTiO₃의 경우 35.4°에서 반사 회절 피크의 강도 ZnTiO₃ 추가로 증가 콘텐츠. 또한, Zn, Ti, Bi, Nb, O 및 Cl과 관련된 신호는 ZnTiO₃의 EDX 매핑 이미지(그림 1d)에서 관찰됩니다. /Bi₄ NbO₈ Cl 이종접합.

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아 ZnTiO₃의 XRD 패턴 , Bi₄ NbO₈ Cl 및 BNZ 샘플; b의 SEM 이미지 Bi₄ NbO₈ 클, c ZnTiO₃ , d 20% BNZ의 SEM 이미지 및 EDX 매핑 이미지

ZnTiO₃의 형태 , Bi₄ NbO₈ Cl 및 BNZ 샘플은 SEM으로 조사합니다. 그림 1b는 ZnTiO₃ 샘플은 미크론 규모의 불규칙한 블록 구조입니다. 깨끗한 Bi₄ NbO₈ Cl 제품은 그림 1c에서 볼 수 있듯이 입자가 뭉쳐져 적층 구조를 보이는 불규칙한 타원체 입자로 구성됩니다. 20% BNZ 화합물의 경우(그림 1d) ZnTiO₃ Bi₄ 표면에 부숴져 부착됩니다. NbO₈ 분쇄, 초음파 혼합 및 소성 처리 후 Cl.

그림 2는 20% BNZ 샘플의 TEM 및 HRTEM 이미지와 해당 선택 영역의 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴 및 역 FFT(IFFT) 이미지를 표시합니다. ZnTiO₃ 사이에 밀접한 계면 접촉이 있음을 분명히 관찰할 수 있습니다. 블록 및 Bi₄ NbO₈ Cl 블록(그림 2a). 그림 2b에서 빨간색 와이어프레임으로 표시된 0.375nm의 측정된 격자 무늬는 Bi₄에 해당합니다. NbO₈ Cl(112) 결정면과 해당 FFT 및 IFFT가 그림 2c에 표시됩니다. 그림 2b와 같이 측정된 0.301nm와 0.293nm의 격자 무늬는 Bi₄와 잘 일치합니다. NbO₈ Cl(116) 결정면(녹색 영역) 및 ZnTiO₃ (311) 결정면(주황색 영역)과 FFT 및 IFFT 이미지가 각각 그림 2d 및 그림 2e에 나와 있습니다. HRTEM 분석은 Bi₄ NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ 잘 결합되어 있습니다.

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아 , b 20% BNZ의 TEM 및 HRTEM 이미지; ㄷ Bi₄의 IFFT 및 FFT 이미지 NbO₈ Cl(112) 결정면; d Bi₄의 IFFT 및 FFT 이미지 NbO₈ Cl(116) 결정면; 이 ZnTiO₃의 IFFT 및 FFT 이미지 (311) 수정면

깨끗한 Bi₄의 광촉매 성능 NbO₈ Cl, ZnTiO₃ , 및 BNZ 이종 접합은 Xenon-arc 램프 조사 하에서 RhB 염료 수용액의 분해에 의해 평가되었습니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 모든 샘플에 대한 RhB의 흡착률은 어두운 곳에서 0-11%입니다. 5시간 동안 빛에 노출된 후 Bi₄ 이상의 열화율 NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ 각각 89%와 61%입니다. 또한, BNZ 복합 재료는 향상된 광촉매 활성을 나타내며 ZnTiO₃의 증가에 따라 염료 제거 효율이 증가합니다. ZnTiO₃일 때 광분해 성능이 약간 감소합니다. 함량이 20wt%에서 30wt%로 증가했습니다. 20% BNZ 합성물은 거의 100%의 분해율로 가장 높은 광촉매 활성을 나타냅니다. 20% BNZ-C의 경우 5시간 반응 후 RhB 제거율은 81%입니다. 20% BNZ는 이종 접합 형성 후 캐리어의 효율적인 분리로 인해 더 높은 광촉매 성능을 보여주었습니다.

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아 ZnTiO₃를 사용한 RhB의 광촉매 분해 효율 , Bi₄ NbO₈ 크세논-아크 램프 조사 하에서 Cl, 및 BNZ 이종 접합; ㄴ 20% BNZ의 순환 실행; ㄷ 크세논-아크 램프 조사 하에 20% BNZ에 의한 RhB의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 변화; d 크세논-아크 램프 조사로 20% BNZ의 트래핑 실험 결과

광촉매의 재활용 가능성도 실제 적용에서 중요한 측면입니다. 그림 3b와 같이 20% BNZ 샘플의 재활용 가능성을 조사하기 위해 동일한 조건에서 RhB 염료를 제거하는 주기적인 실험을 수행했습니다. 4번의 반복 실험 후 광촉매 활성이 약간 감소하여 20% BNZ가 RhB 분해에 안정적인 광촉매임을 나타냅니다. 그림 3c는 20% BNZ에 의한 RhB의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 변화를 보여주며 조사 시간이 증가함에 따라 특성 피크의 강도가 감소합니다. 또한 광촉매 반응 동안 흡수 피크의 위치가 554 nm에서 499 nm로 이동했습니다. 이 최대 흡수의 파란색 이동은 N -RhB의 탈에틸화 [21,22,23].

20% BNZ 합성물에 의한 RhB 분해의 주요 활성 종을 명확히 하기 위해 트래핑 실험을 수행했습니다. 에틸렌디아민테트라아세트산 이나트륨염(EDTA-2Na), 브롬산칼륨(KBrO₃ ), 벤조퀴논(BQ) 및 이소프로판올(IPA)은 구멍을 제거하는 역할을 합니다(h⁺ ), 전자(e⁻ ), 슈퍼옥사이드 라디칼(•O₂ ^- ) 및 하이드록실 라디칼(•OH). 그림 3d에서 보는 바와 같이 광촉매 반응계에 EDTA를 첨가하면 광분해율에 심각한 영향을 미치고 저하되며, BQ나 IPA를 첨가하면 광촉매 활성이 약간 억제된다. 따라서 h⁺ 주요 우세한 반응 종이었으며 •O₂ ^- 또는 •OH는 20% BNZ 시스템에서 RhB의 분해 과정에 참여했습니다.

그림 4a와 같이 준비된 광촉매의 과도-광전류 응답을 간헐적 온-오프 주기로 광조사하에서 측정하여 광생성 캐리어의 생성 및 이동을 평가했습니다. 광전류의 세기가 높을수록 광발생 캐리어의 생성 능력이 더 강해집니다[24, 25]. 광전류 밀도는 어두운 곳보다 밝은 곳에서 더 높고 전형적인 온-오프 사이클 모드를 나타냅니다. 광전류 응답 강도는 다음 순서를 따릅니다. 20% BNZ> 30% BNZ> 10% BNZ> Bi₄ NbO₈ Cl> ZnTiO₃ . 광발생캐리어의 20% BNZ 생산능력이 최고라는 뜻이다. 20% BNZ 샘플의 명백하게 향상된 광전류 밀도는 이종 접합의 친밀한 접촉에 기인할 수 있으며, 이는 전하 생성, 분리 및 전달에 도움이 됩니다. 더욱이, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 촉매의 계면 전하 이동 능력을 연구하기 위해 사용되었습니다. EIS Nyquist 플롯의 아크 반경이 작을수록 전하 이동 저항이 작아집니다[26]. 결과(그림 4b)에서 20% BNZ가 가장 작은 반원호를 나타내는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 20% BNZ가 더 작은 전달 저항을 가지며 전하 캐리어 프로세스가 다른 것들에 비해 매우 빠르다는 것을 나타냅니다. - 준비된 샘플. 광생성 캐리어의 재조합 거동을 조사하기 위해 실온에서 여기 파장이 365nm인 PL 스펙트럼(그림 4c)을 얻었습니다[27]. 베어 Bi₄와 비교 NbO₈ Cl, 준비된 20% BNZ의 PL 강도가 더 약하여 광생성 캐리어의 더 낮은 재조합 비율을 나타냅니다. 이러한 결과는 ZnTiO₃의 도입을 의미합니다. 광 생성 전자의 재조합에 효과적으로 거주할 수 있습니다(e⁻ ) 및 구멍(h⁺ ). 그림 4d와 같이 시간 분해 PL 스펙트럼은 광 여기된 캐리어의 수명에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 샘플의 시간 분해 PL 감쇠 곡선은 Eq. (1):

$$ I(t)={A}_1{e}^{\frac{-t}{\tau_1}}+{A}_2{e}^{\frac{-t}{\tau_2}} $$ (1) <그림>

아 ZnTiO₃의 과도-광전류 응답 , Bi₄ NbO₈ Cl 및 BNZ 샘플. ㄴ ZnTiO₃의 전기화학적 임피던스 분광법 , Bi₄ NbO₈ Cl 및 20% BNZ. ㄷ ZnTiO₃의 광발광 스펙트럼 , Bi₄ NbO₈ Cl 및 BNZ 샘플. d Bi₄의 시간 분해 PL 스펙트럼 NbO₈ Cl 및 20% BNZ

어디에 τ ₁ 그리고 τ ₂ 는 각각 빠른 감쇠 상수(짧은 수명)와 느린 감쇠 상수(긴 수명)입니다. A ₁ 그리고 A ₂ 해당 진폭입니다. 평균 수명은 식을 통해 계산되었습니다. (2) [17]:

$$ \uptau =\frac{A_1{\tau}_1^2+{A}_2{\tau}_2^2}{A_1{\tau}_1+{A}_2{\tau}_2} $$ (2 )

20% BNZ의 평균 수명은 Bi₄의 수명보다 짧습니다. NbO₈ Cl(τ_BiNb =3.66ns 및 τ_20%BNZ =2.72ns). τ ZnTiO₃ 수정 후 값이 3.66에서 2.72로 감소했습니다. , 이종접합의 형성이 캐리어의 전달 효율을 향상시키고 광생성 전자와 정공의 분리를 촉진할 수 있음을 나타냅니다[28,29,30].

Bi₄의 확산 반사 스펙트럼(DRS) NbO₈ Cl, ZnTiO₃ , 20% BNZ는 광학 특성을 연구하기 위해 300~800nm 범위에서 측정되었습니다. 그림 5a와 같이 ZnTiO₃의 흡수단이 375nm이고 Bi₄ NbO₈ Cl은 약 505nm에서 가파른 흡수 가장자리를 가진 강한 흡수 밴드를 가지고 있습니다. 또한 흡수단 20% BNZ는 약 510nm입니다. 또한 반도체의 밴드갭 에너지(Eg)는 Tauc의 방정식으로 계산할 수 있습니다. (αhv)ⁿ =A (hv − Eg), 여기서 예:A , α , h , 및 v 는 각각 밴드갭, 흡수상수, 흡수계수, 플랑크상수, 광주파수이다[31]. 또한 n 직접 전환 자료를 나타냅니다(n =2) 또는 간접 전환 자료(n =1/2). 우리 모두 알다시피 Bi₄ NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ 간접 전이 반도체이므로 n 는 4와 같습니다. 그림 5b와 같이 준비된 Bi₄의 밴드 갭 값 NbO₈ Cl, ZnTiO₃ 및 20% BNZ 샘플은 각각 2.33eV, 3.10eV, 2.31eV입니다.

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아 ZnTiO₃의 DRS 스펙트럼 , Bi₄ NbO₈ Cl, 및 20% BNZ 샘플. ㄴ Tacus의 ZnTiO₃ 곡선 , Bi₄ NbO₈ Cl, 및 20% BNZ 샘플. ㄷ ZnTiO₃의 Mott-Schottky 곡선 및 Bi₄ NbO₈ 클

전도대(CB) 전위와 가전자대(VB) 전위는 나노복합체의 이종접합 형성 및 전자 전달 메커니즘을 이해하는 데 가장 중요한 요소입니다. CB의 바닥은 플랫 밴드 위치에 가까운 것으로 알려져 있습니다. 따라서 플랫 밴드 전위(E_fb ) 샘플 [32]. 전극의 해당 플랫 밴드 전위는 다음 식을 사용하여 M-S 플롯에서 얻었습니다. (3) 및 (4) [31, 33]:

$$ \mathrm{For}\ \mathrm{an}\ \mathrm{n}-\mathrm{유형}\ \mathrm{반도체}\frac{1}{C^2}=\frac{2}{e\ varepsilon {\varepsilon}_o ND}\left(E-{E}_{fb}-\frac{KT}{e}\right) $$ (3) $$ \mathrm{For}\ \mathrm{an} \ \mathrm{p}-\mathrm{유형}\ \mathrm{반도체}\frac{1}{C^2}=\frac{2}{e\varepsilon {\varepsilon}_0 NA}\left(E- {E}_{fb}-\frac{KT}{e}\right) $$ (4)

여기서 ε , ε _오 , e , C , E , E _fb , 케이 , T , N _D , 및 N _A 물질의 유전율, 자유 공간의 유전율, 전자의 전하를 나타냅니다. (1.60 × 10⁻¹⁹ C) 공간 전하 영역의 커패시턴스, 각각 전위, 플랫 밴드 전위, 볼츠만 상수, 절대 온도, 도너 및 억셉터 밀도에 적용됩니다. 그림 5c에서 볼 수 있듯이 모든 플롯은 양의 슬롭을 보여 준비된 샘플이 n형 반도체 거동으로 작용한다는 것을 분명히 확인했습니다[34, 35]. 플랫 밴드 전위는 선형 전위 곡선의 교차점에서 최대 X까지 측정할 수 있습니다. -포인트 1/C² 에서의 축 =0, 공식 (5) [36]에 따라 정규화된 수소 전극 척도(NHE)로 변환할 수 있습니다.

$$ E\left(\mathrm{NHE}\right)=E\left(\mathrm{Ag}/\mathrm{AgCI}\right)+0.197\mathrm{V} $$ (5)

M-S 결과에 따르면 Bi₄에 대한 플랫 밴드 잠재력 NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ 각각 − 0.60eV 및 − 0.40eV(Ag/AgCl 대비)입니다. 따라서 E_CB Bi₄의 NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ 각각 − 0.403eV 및 − 0.203eV입니다. 따라서 E_VB Bi₄의 NbO₈ Cl은 1.927 eV이고 E_VB입니다. ZnTiO₃ 2.897 eV입니다.

Bi₄의 특정 BET 표면적 NbO₈ Cl, ZnTiO₃ , 20% BNZ는 표 1에 나와 있습니다. S_BET 20% BNZ는 0.87m² 입니다. /g S_BET 이상 Bi₄의 NbO₈ 클. 표 1에서 S_BET ZnTiO₃ 5.34m² /G. S_BET 증가 20% BNZ는 ZnTiO₃ 도입으로 인한 것입니다. . ZnTiO₃의 빛을 사용하는 능력 넓은 밴드 갭에 약한 소유입니다. 따라서 증가된 S_BET 많은 효과적인 활성 사이트를 제공하지 않을 수 있습니다. 대조적으로, ZnTiO₃ Bi₄의 활성 사이트를 포함할 수 있습니다. NbO₈ Cl 표면 또는 전자와 정공의 새로운 재결합 중심이 됩니다. 따라서 증가된 S_BET 20% BNZ는 향상된 광촉매 성능에 약간의 영향만 줄 수 있습니다. 향상된 성능은 주로 이종 접합의 형성으로 인한 것입니다.

향상된 광촉매 성능을 설명하기 위해 가능한 광촉매 메커니즘이 반응식 1에서 제안됩니다. 크세논-아크 램프 조사에서 전자(e^- ) Bi₄에서 생성됩니다. NbO₈ Cl, VB에서 CB로 이동하여 해당 구멍을 남깁니다(h⁺ ) VB에서. 한편, ZnTiO₃에서도 동일한 과정이 발생합니다. . Bi₄ 간의 에너지 밴드 전위 비교를 통해 NbO₈ Cl 및 ZnTiO₃ , E_CB (Bi₄ NbO₈ Cl)은 E_CB보다 더 음수입니다. (ZnTiO₃ ) 및 E_VB (ZnTiO₃ )는 E_VB보다 더 긍정적입니다. (Bi₄ NbO₈ 클). 따라서 그들은 유형 II 이종 접합을 형성할 수 있습니다. 내부 전기장 때문에 e⁻ Bi₄의 CB에 NbO₈ Cl은 ZnTiO₃의 CB로 전송됩니다. , 및 h⁺ ZnTiO₃의 VB에서 Bi₄의 VB로 전송됩니다. NbO₈ 씨엘, 광야의 이별을 깨달은 e⁻ -h⁺ 성능 향상으로 이어지는 쌍. 20% BNZ는 VB의 높은 양의 전위를 가지므로 구멍의 산화 능력이 높습니다. 따라서 VB의 구멍은 RhB와 같은 유기 오염 물질을 직접 산화시킬 수 있습니다. 그러나 ZnTiO₃의 과도한 비율 BNZ heterojunction에서 Bi₄의 활성 부위를 덮습니다. NbO₈ Cl 표면은 빛을 수확하는 능력을 감소시킵니다. 또한 ZnTiO₃의 과도한 비율 전자와 정공의 새로운 재결합 중심이 될 수 있습니다. 따라서 ZnTiO₃의 양은 이종접합에서 최적의 값을 갖는다.

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ZnTiO₃에 대한 RhB의 분해에 대해 제안된 메커니즘의 개략도 /Bi₄ NbO₈ 크세논 아크 램프 조사에서 Cl 이종 접합 광촉매.

결론

이 작업에서 ZnTiO₃ /Bi₄ NbO₈ Cl 이종접합 촉매는 일반적인 기계적 혼합 방법을 통해 성공적으로 제조되었습니다. 이종접합은 개별 ZnTiO₃와 비교하여 향상된 광촉매 성능을 나타냅니다. 또는 Bi₄ NbO₈ 크세논 아크 램프 조사에서 Cl. 특히, 20% ZnTiO₃ /Bi₄ NbO₈ Cl 이종접합이 최고의 성능을 보입니다. 이 보고서는 촉매 수정 및 응용 분야에서 이종 접합 구조의 개발에 영감을 줄 수 있습니다.