Ag3PO4/T-ZnOw 이종구조의 제조 및 광촉매 활성

초록

Ag₃ PO₄ /tetrapod-like ZnO 위스커(T-ZnOw) 헤테로구조는 간단한 침전 방법을 통해 준비되었습니다. 얻어진 이종구조체는 X선 회절, 주사전자현미경, 투과전자현미경, 고해상도 투과전자현미경, X선 광전자분광법, UV-Vis 확산반사분광법으로 특징지어졌다. Ag₃의 광분해 활성 PO₄ /T-ZnOw는 가시광선 조사 하에서 로다민 B(RhB)의 분해에 의해 평가되었다. Ag의 몰비가₃일 때 PO₄ T-ZnOw는 10%(Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2), 이종 구조 중에서 가장 높은 분해 효율(92.9%)을 달성할 수 있었다. Ag₃의 광분해 속도 상수 PO₄ /T-ZnOw-2(0.05179 min⁻¹ ) T-ZnOw의 3.59배(0.01444 min^-1 ). 게다가 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 광촉매는 4회 연속 사이클 후에도 77.8%의 분해 효율을 유지했습니다. Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 촉매는 순수한 T-ZnOw보다 훨씬 더 높은 광촉매 활성을 가지며 순수한 Ag₃보다 안정성과 재사용성이 우수합니다. PO₄ . 분해 효율에 대한 다양한 스캐빈저의 영향이 조사되었으며 Ag₃의 가능한 광촉매 메커니즘이 PO₄ /T-ZnOw 광촉매도 제시되었습니다.

소개

섬유 산업의 염료 폐수 오염은 비생분해성과 잠재적인 발암성으로 인해 최근 수십 년 동안 주요 환경 문제였습니다. 현재 연구자들은 폐수에 포함된 오염물질을 처리하기 위한 다양한 기술을 연구하고 있습니다. 반도체 광촉매 기술은 오염된 물을 정화하는 효과적인 방법으로 여겨져 왔다[1,2,3,4,5,6]. 환경 친화적인 광촉매 물질인 산화아연(ZnO)은 저비용, 높은 제어성, 열 및 화학적 안정성 등의 특성으로 인해 광범위하게 연구되어 왔다[7,8,9,10,11]. 불행히도, ZnO의 넓은 밴드갭(3.37 eV)은 가시광선에서 대규모 실제 응용을 제한합니다[12]. 또한, 광 생성된 전자-정공 쌍의 낮은 분리 속도는 ZnO의 광촉매 성능을 제한합니다. ZnO 광촉매의 개질을 위해 효과적인 전략은 흡수 대역을 자외선에서 가시광선 범위로 이동시켜 태양 조사로부터 더 많은 에너지를 흡수할 수 있게 하고 태양광 이용을 향상시키는 것이다[13]. 좁은 밴드갭 반도체와 ZnO를 결합하는 것은 태양광 조사로부터 더 많은 에너지를 흡수하고 광촉매 활성을 향상시키는 효과적인 방법이 될 수 있다는 것이 일반적으로 알려져 있습니다. 게다가, 적절하게 일치하는 에너지 갭을 가진 이종 구조의 형성은 또한 광촉매에서 전하 캐리어의 분리를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, AgBr/ZnO[14], ZnO/BiOI[15], ZnO/AgI[16], Ag₃ VO₄ /ZnO [17], Ag₂ CO₃ /ZnO [18], Ag₂ O/ZnO [19] 및 BiVO₄ /ZnO[20]가 보고되었습니다.

최근에는 오르토인산은(Ag₃ PO₄ )는 가시광선에서 수용액에서 유기 오염의 높은 광분해 효율을 보인 좁은 밴드 갭(약 2.4 eV)[21]으로 인해 유망한 결합 재료로 상당한 주목을 받았다[22,23,24,25]. 그러나 Ag₃ PO₄ Ag⁰ 으로 줄일 수 있습니다. 광촉매 과정에서 가시광선 조사 시 광발생된 전자의 광부식으로 인해 구조적 안정성과 재사용성이 저하될 수 있으며, 수처리에 대한 장기적 적용이 크게 제한될 수 있다[23, 26, 27, 28]. 게다가, 광촉매 시스템에서 다량의 값비싼 은 함유 물질을 사용하는 것은 운영 비용을 크게 증가시켰다. 이전에 보고된 바와 같이 Ag₃의 안정성 PO₄ 전자 구조가 일치하는 지지 재료 위에 복합 재료를 준비하여 향상시킬 수 있으며 복합 재료는 동시에 우수한 광촉매 성능을 나타냈습니다[27, 29,30,31].

이 작업에서 Ag₃를 기탁했습니다. PO₄ 실온에서 손쉬운 in situ 증착 방법으로 T-ZnOw 표면에 입자. Ag₃에서 PO₄ /T-ZnOw 복합 재료인 T-ZnOw는 독특한 모양과 구조, 낮은 밀도의 고유 결함 및 큰 비표면적을 갖는 기판으로 작동합니다[32,33,34,35]. Ag₃의 광촉매 활성 PO₄ /T-ZnOw 복합체는 가시광선 조사 하에서 RhB를 분해하여 조사하였고, 안정성도 결정하였다. 또한 가능한 광촉매 메커니즘에 대해서도 자세히 논의했습니다.

방법

자료

T-ZnOw는 Chengdu Crystrealm Co. Ltd.(Chengdu, China)에서 입수했습니다. 질산은(AgNO₃ ,> 99.8%)는 Tianjin Fengchuan Chemical Reagent Co. Ltd.(Tianjin, China)에서 구입했습니다. 인산나트륨 이염기성 십이수화물(Na₂ HPO₄ ·12H₂ O, 99.0%) 및 벤조퀴논(BQ)은 Aladdin Reagents Company(Shanghai, China)에서 구입했습니다. RhB는 Macklin Biochemical Company(중국 상하이)에서 제공했습니다. 이소프로필 알코올(IPA)은 Tianjin Kemiou Chemical Co. Ltd.(Tianjin, China)에서 입수했습니다. 에틸렌디아민테트라아세트산 이나트륨염(EDTA-2Na)은 Tianjin Shentai Chemical Industry Co. Ltd.(Tianjin, China)에서 구입했습니다. 절대 에탄올은 Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.(중국 상하이)에서 구입했습니다. 18.2 MΩ cm의 저항을 갖는 탈이온수는 ULUPURE 정수 시스템(중국 청두)의 모든 경우에 사용되었습니다.

광촉매 준비

Ag₃를 제조하기 위해 제자리 침전 방법이 사용되었습니다. PO₄ /T-ZnOw 합성물 및 Ag₃의 몰비 PO₄ T-ZnOw는 각각 5%, 10% 및 15%였습니다. 제품은 Ag₃으로 표시되었습니다. PO₄ /T-ZnOw-1, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 및 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3, 각각. 예를 들어 Ag₃의 경우 PO₄ /T-ZnOw-2 샘플, 0.1 g T-ZnOw 및 0.0440 g Na₂ HPO₄ ·12H₂ O를 100 mL의 탈이온수에 초음파로 분산시킨 후 자기 교반하였다. 다음으로 0.0626 g AgNO₃ 50 mL의 탈이온수에 녹인 용액을 자기 교반 하에 주입 펌프에 고정된 주사기로 상기 현탁액에 천천히 첨가하였다. 후속적으로, 반응 시스템을 3시간 동안 교반 하에 유지하였다. Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 침전물을 원심분리에 의해 수집하고, 탈이온수 및 무수 에탄올로 철저히 세척한 다음, 60°C의 오븐에서 건조시켰다. 비교를 위해 순수 Ag₃ PO₄ T-ZnOw가 없는 상태에서 동일한 공정에 따라 제조되었습니다.

특성화

X-선 회절(XRD) 측정은 10°/min의 스캐닝 속도로 방사선으로 Cu K-α를 사용하여 Rigaku SmartLab 회절계에서 수행되었습니다. 복합재료의 형태는 주사전자현미경(SEM, JSM-7200F, JEOL, Japan)으로 연구하였다. SEM 기기에 부착된 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 사용하여 제품의 화학적 조성을 결정했습니다. 투과전자현미경(TEM) 및 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 이미지는 JEM-2100F 투과전자현미경으로 얻었다. X선 광전자 분광법(XPS) 측정은 Thermo ESCALAB 250XI에 기록되었으며 결합 에너지(BE)는 284.6 eV에서 C1s 피크에 대해 보정되었습니다. UV-Vis 확산 반사 스펙트럼(DRS) 측정은 폴리테트라플루오로에틸렌을 기준으로 하는 UV-Vis-NIR 분광 광도계(Cary5000, Agilent Technologies, USA)를 사용하여 얻었습니다. 샘플의 광발광(PL) 방출 스펙트럼은 여기 파장이 355 nm인 F-7000 형광 분광 광도계(Hitachi, Japan)로 측정되었습니다.

광촉매 실험

광촉매 실험은 가시광선에서 RhB의 광분해를 통해 테스트되었습니다. 실험은 시스템 온도를 실온에서 일정하게 유지하기 위해 냉각수와 함께 250mL 재킷 유리 비이커에서 수행되었습니다. 420nm 차단 필터가 있는 300W 크세논 램프가 가시광선을 제공했습니다. Ag₃ 40밀리그램 PO₄ /T-ZnOw 복합물을 10 mg/L RhB 용액 100 mL에 첨가했습니다. 크세논 램프를 켜기 전에 현탁액을 어둠 속에서 30분 동안 교반하여 흡착-탈착 평형에 도달했습니다. 광원과 서스펜션 표면 사이의 거리는 15 cm였습니다. 매 10분마다 3 mL 현탁액을 수집하고 원심분리하여 투명한 액체를 얻은 다음 TU-1901 UV-Vis 분광광도계(Puxi, 중국)에서 554nm에서 분석했습니다. 광촉매 분해 효율은 다음 공식으로 계산되었습니다.

$$ \eta =\left(1-C/{C}_0\right)\times 100\% $$

여기서 C ₀ RhB 및 C의 초기 농도입니다. 시간 t에서 조명 후 RhB의 농도입니다. , 반응 시간에 따라 다릅니다.

결과 및 토론

그림 1은 Ag₃의 XRD 패턴을 보여줍니다. PO₄ Ag₃의 몰비가 다른 /T-ZnOw 복합재 PO₄ , T-ZnOw 및 Ag₃와 함께 PO₄ . 패턴은 T-ZnOw가 육각형 wurtzite 상의 ZnO의 표준 패턴(JCPDS no. 36-1451)(그림 1(a))과 일치하는 반면 Ag₃ PO₄ 입방체상의 결정(JCPDS no. 06-0505)이었다(Fig. 1(e)). Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 복합재(그림 1(b)–(d))는 두 Ag₃의 공존을 나타냈습니다. PO₄ 및 T-ZnOw. Ag₃의 몰비로 PO₄ 증가, Ag₃ 피크의 강도 PO₄ T-ZnOw는 동시에 감소하는 반면 현저하게 향상되었습니다. Ag₃의 피크 PO₄ /T-ZnOw 합성물은 분명히 T-ZnOw 및 Ag₃와 관련이 있었습니다. PO₄ , Ag₃의 로딩을 보여주는 다른 새로운 결정상은 발견되지 않았습니다. PO₄ T-ZnOw의 결정상을 변화시키지 않았다. 이 결과는 Ag₃ PO₄ 입자는 T-ZnOw 표면에 성공적으로 증착되었으며 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조를 얻었다.

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(a) T-ZnOw, (b) Ag₃의 XRD 패턴 PO₄ /T-ZnOw-1, (c) Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2, (d) Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3 및 (e) Ag₃ PO₄

그림 2는 T-ZnOw, Ag₃의 SEM 이미지를 보여줍니다. PO₄ 및 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조, Ag₃의 TEM 이미지 및 HRTEM 이미지와 함께 PO₄ /T-ZnOw-2. 상당히 매끄러운 표면을 가진 T-ZnOw는 공통 코어에서 성장하고 주변 공간으로 확장되는 4개의 다리를 가지고 있습니다. 이 확장은 다리를 서로 연결하여 기계적 강도가 있는 좋은 네트워크로 조립을 용이하게 했습니다. 순수 Ag₃ PO₄ 직경 150~500 nm의 불규칙한 구형을 나타냈다. T-ZnOw의 크기는 마이크론 수준인 반면 Ag₃의 크기는 PO₄ 나노 수준이었다. 그림 2c–e는 Ag₃의 SEM 이미지를 표시했습니다. PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조. 나노 크기의 Ag₃ PO₄ 입자는 T-ZnOw의 3차원(3D) 지지 프레임워크에 증착되었습니다. Ag₃의 양과 크기 PO₄ Ag₃의 몰비에 따라 입자 증가 PO₄ 증가. Ag의 몰비가₃일 때 PO₄ Ag₃의 평균 직경은 10%였습니다. PO₄ 입자는 약 150 nm이었고, Ag₃의 양은 더욱 증가했습니다. PO₄ Ag₃의 집계 결과 PO₄ T-ZnOw 표면의 입자(그림 2e). 그림 2f는 Ag₃ 접점 인터페이스의 TEM 이미지입니다. PO₄ /T-ZnOw-2. 나노 크기의 Ag₃ PO₄ 입자가 T-ZnOw의 표면에 잘 접촉되어 부착되었다. 삽입된 그림은 Ag₃의 빨간색 직사각형 영역의 HRTEM 이미지를 보여줍니다. PO₄ /T-ZnOw-2 및 0.240 nm의 격자 간격은 Ag₃의 (211) 결정면에 해당합니다. PO₄ . 그림 2d의 삽입은 Ag₃의 SEM 이미지의 직사각형 영역에 해당하는 EDS 스펙트럼을 보여줍니다. PO₄ /T-ZnOw-2 샘플. 샘플은 Zn, Ag, O, P의 4가지 원소로 구성되었으며 XPS 결과와 일치했습니다.

<사진>

a의 SEM 이미지 T-ZnOw, b Ag₃ PO₄ , ㄷ Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-1, d Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2(삽입은 선택한 영역의 EDS 스펙트럼을 나타냄), e Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3 및 f Ag₃의 TEM 이미지 PO₄ /T-ZnOw-2(삽입은 빨간색 직사각형 영역의 HRTEM 이미지를 나타냄)

XPS 측정은 Ag₃의 원소 조성과 화학적 상태를 조사하기 위해 수행되었습니다. PO₄ /T-ZnOw-2 샘플. 그림 3a는 조사 XPS 스펙트럼을 나타내며 Zn, Ag, O 및 P의 존재를 나타냅니다. 그림 3b는 Zn 2p의 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타내며 1021.5 및 1044.6 eV에서 두 개의 결합 에너지 피크가 할당될 수 있습니다. Zn 2p_3/2 및 Zn 2p_1/2 각각 T-ZnOw의 [36]. 367.2 및 373.2 eV에 위치한 두 개의 피크는 Ag 3d_5/2에 기인할 수 있습니다. 및 Ag 3d_3/2 Ag⁺ 의 특성인 Ag 3d 오비탈(그림 3c)의 XPS 스펙트럼에서 [11]. 그림 3d의 O1s의 XPS 스펙트럼에서 볼 수 있듯이 529.9, 531.2 및 532.5 eV에서 3개의 피크가 있었으며 이는 T-ZnOw[33], Ag₃의 산소 격자에 기인할 수 있습니다. 하위> PO₄ [37], Ag₃ 표면에 흡착된 –OH 그룹 PO₄ /T-ZnOw-2, 각각. 그림 3e의 132.3 eV를 중심으로 하는 약하고 넓은 대역은 Ag₃의 특성 P2p에 기인할 수 있습니다. PO₄ [38]. XPS 결과는 Ag₃ PO₄ 및 T-ZnOw가 합성되었습니다.

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Ag₃의 XPS 스펙트럼 PO₄ /T-ZnOw-2:a 설문조사 스캔, b Zn 2p, c Ag 3d, d O1 및 e P 2p

UV-Vis 확산 반사 스펙트럼(DRS)은 Ag₃의 광 흡수 특성을 연구하기 위해 측정되었습니다. PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조, T-ZnOw 및 Ag₃와 함께 PO₄ (그림 4a). T-ZnOw와 Ag₃의 흡수단이 관찰될 수 있었다. PO₄ 각각 약 400 및 510 nm인 것으로 언급되었다. T-ZnOw와 비교하여 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조는 Ag₃의 몰 비율에 따라 가시광선 영역에서 증가하는 흡수 강도를 나타냄 PO₄ 증가. Ag₃의 흡수 범위 확대 및 흡광도 향상 PO₄ 가시광선 영역의 /T-ZnOw 이종구조는 Ag₃의 더 좁은 밴드갭 도입의 이점을 얻었습니다. PO₄ . 위의 결과는 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 이종 구조는 잠재적인 가시광 구동 광촉매였습니다. 또한, T-ZnOw와 Ag₃의 밴드갭 에너지 PO₄ Kubelka-Munk 함수[39]에 의해 평가되었습니다. (ahv의 줄거리에 따르면 )² 그림 4b와 같이 에너지 대 T-ZnOw 및 Ag₃의 밴드갭 값 PO₄ 각각 약 3.16 및 2.42 eV였습니다.

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아 T-ZnOw, Ag₃의 UV-Vis DRS PO₄ /T-ZnOw-1, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3 및 Ag₃ PO₄ . ㄴ (αhv의 플롯 )² 에너지 대 (hv )

RhB의 광분해는 T-ZnOw, Ag₃의 광촉매 활성을 평가하는 데 사용되었습니다. PO₄ /T-ZnOw-1, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3, Ag₃ PO₄ , 그리고 T-ZnOw(26.41 mg)와 Ag₃의 혼합물 PO₄ (13.59 mg) 가시광선에서. 그림 5a는 RhB 분해에 대한 다양한 샘플의 광촉매 활성을 보여줍니다. 50 분 조사 후, T-ZnOw, Ag₃의 분해 효율 PO₄ /T-ZnOw-1, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-3, Ag₃ PO₄ , 및 혼합물은 각각 52.5%, 85.3%, 92.9%, 79.9%, 96.9% 및 62.9%였다. T-ZnOw와 Ag₃의 물리적 혼합물 PO₄ Ag₃와 동일한 조성 비율을 가짐 PO₄ /T-ZnOw-2는 Ag₃보다 RhB의 분해 효율이 낮음 PO₄ /T-ZnOw-2, Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조가 형성되었다. Ag₃의 몰비로 PO₄ 증가하면 RhB의 분해 효율이 먼저 증가하고 그 다음 감소하고 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2는 헤테로구조 중 가장 높은 분해 효율을 나타내어 Ag₃에 매우 근접함 PO₄ . 응집된 Ag₃ PO₄ Ag₃의 입자 PO₄ /T-ZnOw-3 샘플은 Ag₃의 크기와 분산에 영향을 미쳤습니다. PO₄ . 입자 크기가 작을수록 전자-정공 재결합 가능성이 감소하여 재료의 광촉매 성능이 향상되는 것으로 잘 알려져 있습니다. 또한 Ag₃의 큰 크기는 PO₄ Ag₃의 입자 PO₄ /T-ZnOw-3 샘플은 T-ZnOw와 Ag₃ 사이의 고정력을 약화시킬 수 있습니다. PO₄ 광촉매 활성을 제한하는 이종 접합 구조를 파괴합니다. RhB의 광분해는 그림 5b와 같이 유사 1차 반응을 따랐습니다. 그림 5c는 서로 다른 광촉매의 분해율 상수를 나타낸 것으로, 분해 효율과 같은 경향을 보였다. Ag₃의 광분해 속도 상수 PO₄ /T-ZnOw-2(0.05179 min⁻¹ ) T-ZnOw의 3.59배(0.01444 min^-1 ). 위의 결과는 T-ZnOw의 광촉매 활성이 Ag₃에 의해 증가되었음을 분명히 나타냅니다. PO₄ 가감. Ag₃의 향상된 광촉매 활성 PO₄ /T-ZnOw 이종구조는 Ag₃를 로딩하여 가시광선 흡광도 강화의 이점을 얻었습니다. PO₄ Ag₃를 가능하게 하는 T-ZnOw의 표면에 PO₄ /T-ZnOw 헤테로구조는 가시광선에서 RhB의 광분해를 위한 광생성 캐리어를 생성합니다. Ag₃ PO₄ 준비된 시료 중 광촉매 활성이 가장 좋은 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 Ag₃ PO₄ Ag₃에 비해 낮은 안정성을 나타냄 PO₄ /T-ZnOw는 다음 논의에 나와 있으며 이는 장기간 사용에 영향을 미칩니다.

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아 다른 광촉매를 사용한 RhB의 광분해. ㄴ 운동 시뮬레이션 곡선. ㄷ 겉보기 비율 상수

광분해 시스템에서 적절한 광촉매를 사용하면 경제적인 측면에서 비용을 절감할 수 있습니다. 그림 6a는 Ag₃ 사료 투여량의 영향을 보여줍니다. PO₄ /T-ZnOw-2 열화 효율. 분해 효율은 용량이 0.2에서 0.4 g/L로 증가함에 따라 분명히 증가했으며 그 이후에는 감소했습니다. 촉매의 양이 증가함에 따라 용액의 탁도가 증가함과 동시에 반응계로의 광투과가 감소하였다. 광촉매의 가시광선 흡수가 낮으면 광촉매의 더 많은 양에서 분해 효율이 감소할 수 있습니다[40, 41].

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아 다른 Ag₃의 효과 PO₄ /T-ZnOw-2는 RhB의 광분해에 대한 투여량입니다. ㄴ Ag₃의 광촉매 활성에 대한 다양한 초기 RhB 농도의 영향 PO₄ /T-ZnOw-2

Ag₃의 광촉매 활성에 대한 다양한 초기 RhB 농도의 영향 PO₄ /T-ZnOw-2를 연구하고 그림 6b에 표시했습니다. 초기 농도가 5 mg/L, 10 mg/L, 15 mg/L일 때 RhB의 분해효율은 각각 98.2%, 92.9%, 70.4%였다. 분해 효율의 감소는 더 높은 초기 농도에서 용액으로 들어가는 광자의 경로 길이 증가로 인한 촉매에 의해 흡수된 광자의 감소로 인한 것일 수 있습니다. 또 다른 이유는 초기 반응물과 흡착 경쟁을 형성할 수 있는 높은 초기 RhB 농도로 더 많은 중간체가 형성되기 때문일 수 있습니다[42, 43]. 그러나 초기 농도가 너무 낮으면 촉매의 광분해능을 충분히 나타낼 수 없습니다. 따라서 실험에서 RhB 용액의 초기 농도는 바람직하게는 10 mg/L이었다.

광촉매의 안정성과 재사용 가능성은 실제 적용을 측정하는 데 중요합니다[44]. Ag₃ PO₄ 광촉매는 광부식에 의해 쉽게 Ag로 환원될 수 있어 장기간의 실제 적용이 제한됩니다. 그림 7은 Ag₃에 대한 RhB 분해에 대한 재활용 실험을 보여줍니다. PO₄ /T-ZnOw-2 및 Ag₃ PO₄ . 4회의 연속 사이클 후 Ag₃의 분해 효율 PO₄ Ag₃보다 분명히 낮았습니다. PO₄ /T-ZnOw-2. 위에 제시된 결과는 Ag₃ PO₄ 광촉매는 처음 사용 시 약간 더 높은 광촉매 활성을 보였으며 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 이종 구조는 향상된 안정성으로 인해 장기간 적용할 수 있는 가능성이 있는 것으로 나타났습니다. 순수 Ag₃ PO₄ 광촉매 과정에서 희생 시약이 첨가되지 않으면 광촉매는 불안정하다[45]. 순수한 Ag₃의 용해도 PO₄ 수용액에서 상대적으로 높기 때문에 광촉매 과정에서 안정성이 감소합니다[25]. Ag₃ PO₄ 광발생 전자에 의해 금속성 Ag로 환원될 수 있으며, 일정량의 Ag는 Ag/Ag₃ 구조를 형성할 수 있습니다. PO₄ /T-ZnOw. Ag₃의 추가 광부식 PO₄ Ag/Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 합성물은 Ag₃의 전도대에서 전자의 이동에 의해 억제될 수 있습니다. PO₄ 금속 Ag [46]. Ag₃ 이후 PO₄ 입자는 T-ZnOw 표면, Ag₃에 고정되었습니다. PO₄ 입자와 T-ZnOw는 서로 밀접하게 접촉했으며 매끄러운 T-ZnOw 표면은 Ag₃의 이상적인 피난처 역할을 했습니다. PO₄ Ag₃의 양을 줄입니다. PO₄ 보고된 Ag₃와 유사한 수용액에서의 스트리핑 PO₄ /BiVO₄ 이종접합[47]. 따라서 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 헤테로구조는 우수한 광촉매 안정성을 나타내었고 재활용 실험 후 77.8%의 분해 효율을 보였습니다.

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Ag₃에 대한 RhB 분해를 위한 4회의 연속 사이클링 실행 PO₄ /T-ZnOw-2 및 Ag₃ PO₄

Ag₃에 의한 RhB의 분해 효율에 대한 다양한 스캐빈저의 영향 PO₄ /T-ZnOw-2는 50분 동안 조사 후 그림 8에 나와 있습니다. IPA, BQ, EDTA-2Na 첨가 후, 분해 효율은 각각 38.8%, 65.6%, 82.6%로 감소하여 수산기 라디칼(∙OH)과 슈퍼옥사이드 라디칼(∙O_{2 ^-
)가 주로 활동하는 종이었고 구멍(h⁺
) 광촉매 탈색에 부분적으로 작용했습니다. Ag₃의 밴드 위치 PO₄ T-ZnOw는 다음 방정식에 의해 계산되었습니다[18]:}

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{E}_{\mathrm{VB}}=X-{E}^0+0.5{E}_{\mathrm{g}}\\ {}{ E}_{\mathrm{CB}}={E}_{\mathrm{VB}}-{E}_{\mathrm{g}}\end{array}} $$ <그림><소스 유형=" image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03363-4/MediaObjects/11671_2020_3363_Fig8_HTML.p">

Ag₃에 의한 RhB 분해 효율에 대한 영향 PO₄ /T-ZnOw-2와 다른 스캐빈저(스캐빈저 용량 =0.2 mmol/L)

여기서 X 는 반도체의 절대 전기 음성도이며 E _g 밴드갭 에너지이다. X Ag₃ 값 PO₄ 및 ZnO는 각각 6.16[48] 및 5.76 eV[49]입니다. 그림 4에서 얻은 밴드갭에 따르면 E _VB Ag₃의 PO₄ T-ZnOw는 2.87 및 2.84 eV로 계산되었으며, 이들의 상동 E _CB 각각 0.45 및 - 0.32 eV였습니다.

RhB의 광촉매 분해에 대한 가능한 메커니즘은 위의 결과를 기반으로 Scheme 1과 같이 제안될 수 있습니다. T-ZnOw의 전도대 전위(CB − 0.32 eV)와 가전자대 전위(VB 2.84 eV)가 더 음의 값을 보였습니다. Ag₃보다 PO₄ (CB 0.45 eV, VB 2.87 eV). 흥분된 Ag₃ PO₄ 가시광선 조명에서 전자-정공 쌍을 생성할 수 있습니다. 따라서 광 생성 구멍은 Ag₃의 VB에서 이동할 수 있습니다. PO₄ 광 생성된 전자와 정공의 효과적인 분리를 촉진하는 T-ZnOw의 빈 VB로. 광 생성된 구멍의 일부는 흡착된 H₂와 반응합니다. O는 ∙OH를 주요 활성종으로 형성하고, 이종구조 표면에 흡착된 홀의 다른 부분은 RhB의 광분해에 직접 참여할 수 있다. 그러나 Ag₃의 CB 잠재력 PO₄ 0.45 eV로 O₂의 환원전위보다 높았다. /∙O₂ ^- (− 0.33 eV) [29]. Ag₃ 전도대의 광생성 전자 PO₄ 용존 산소와 반응하여 ∙O₂를 형성할 수 없음 ^- . Ag⁺ 사이의 반응에 의해 소량의 금속 Ag가 형성될 수 있습니다. Ag₃에서 PO₄ 및 Ag₃의 XPS 스펙트럼에 의해 증명될 수 있는 가시광 조명에 의한 광생성 전자 PO₄ 광촉매 반응에서 50분 동안 조명 후 /T-ZnOw-2. 그림 9a는 Ag₃의 Ag3d XPS 스펙트럼을 보여줍니다. PO₄ /T-ZnOw-2 광촉매 50분 후. 367.2 및 373.2 eV의 피크는 Ag⁺ 때문일 수 있습니다. 이온, 368.3 및 374.2 eV의 피크는 금속 Ag에 할당되었습니다[11]. 그런 다음 Ag₃의 전도대에서 광 발생 전자 PO₄ 금속 Ag로 이동하여 전자-정공 쌍의 재결합을 억제할 수 있습니다. 또한, 광 생성된 전자는 용존 산소에 의해 포획되어 ∙O₂를 형성할 수 있습니다. ^- , RhB의 광분해에 중요한 역할 중 하나를 수행했습니다. 이 모든 광생성 반응성 종(∙OH, ∙O₂ ^- , 및 h⁺ ) RhB와 반응하여 CO₂를 형성할 수 있음 및 H₂ O 그리고 마지막으로 RhB의 분해에 대한 광촉매 성능을 향상시킵니다. 그림 9b는 Ag₃의 PL 스펙트럼을 나타냅니다. PO₄ 및 Ag₃ PO₄ 355 nm의 여기 파장을 갖는 /T-ZnOw-2. 순수 Ag₃와 비교 PO₄ , Ag₃의 강도 PO₄ /T-ZnOw-2는 주로 Ag₃ 사이의 효율적인 전하 캐리어 전달에 기인한 형광의 감소를 나타냈습니다. PO₄ 및 T-ZnOw. PL 결과는 제안된 광촉매 메커니즘과 일치했습니다.

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Ag₃의 가능한 광촉매 메커니즘의 개략도 PO₄ /T-ZnOw

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아 Ag₃의 Ag 3d XPS 스펙트럼 PO₄ /T-ZnOw-2 광촉매 후 샘플. ㄴ Ag₃의 PL 스펙트럼 PO₄ 및 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2

결론

요약하면 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw 이종 구조는 손쉬운 제자리 침전 방법으로 성공적으로 제작되었습니다. Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 촉매는 순수 T-ZnOw보다 RhB 분해에 대한 광촉매 활성이 우수하고 순수 Ag₃에 비해 안정성과 재사용성이 우수함 PO₄ . 최적의 조건에서 Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2는 이종 구조 중에서 가장 높은 광촉매 효율을 보였고 4회의 연속 사이클 후에도 여전히 77.8%의 분해 효율을 보였다. Ag₃의 효율적인 광촉매 성능 PO₄ /T-ZnOw 광촉매는 가시광선 응답이 향상되었기 때문일 수 있습니다. Ag₃ PO₄ /T-ZnOw-2 광촉매 역시 우수한 안정성을 보였다. RhB의 분해 효율에 대한 다양한 스캐빈저의 영향에 대한 조사는 ∙OH 및 ∙O₂ ^- 주로 활동하는 종이었다. RhB에 대한 광분해 경로의 가능한 메커니즘이 제안되었습니다. Ag₃ PO₄ /T-ZnOw는 수질 오염 물질 처리에 사용할 수 있는 잠재적인 광촉매 중 하나일 수 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.

약어

T-ZnOw:: 테트라포드와 같은 ZnO 수염
RhB:: 로다민 B
바베큐:: 벤조퀴논
IPA:: 이소프로필 알코올
EDTA-2Na:: 에틸렌디아민테트라아세트산 이나트륨염
XRD:: X선 회절
SEM:: 주사전자현미경
EDS:: 에너지 분산 X선 분광기
TEM:: 투과전자현미경
HRTEM:: 고해상도 투과전자현미경
XPS:: X선 광전자 분광법
BE:: 결속력
DRS:: UV-Vis 확산 반사 스펙트럼
PL:: 광발광

MoSe2-Ni3Se4 하이브리드 나노전기촉매 및 수소 진화 반응에 대한 향상된 전기촉매 활성 의사입방정 α-Fe2O3 나노입자의 Zn/Sn 도핑 PN 광전극을 사용하여 물 분해 효율 향상

나노물질