SrTiO3/Bi5O7I 나노복합체로 로다민 B 광촉매 분해 향상: 제조, 특성 분석, 메커니즘 규명

초록

페로브스카이트 SrTiO₃ 나노입자와 사방정계 Bi₅O₇I 나노로드를 결합한 SrTiO₃/Bi₅O₇I 나노복합체를 열분해법으로 합성하였다. XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS, PL 분석으로 상 순도, 친밀한 헤테로접합 형성, 효과적 전하 분리 확인. 모의 태양광 조사 하 30 wt% SrTiO₃/Bi₅O₇I 복합체가 150분 내 로다민 B(RhB) 89.6% 제거—순수 Bi₅O₇I 대비 3.97배, SrTiO₃ 대비 12.5배 높음. •O₂⁻와 정공이 산화 과정 주도, PL 데이터 재결합 억제 나타냄. 연구는 우수한 광촉매 구동 Z-타입 헤테로접합 메커니즘 규명, 고성능 가시광 광촉매 설계 청사진 제시.

배경

섬유 폐수 염료 오염물질 심각한 생태, 건강 위험 초래, 비용 효율적 녹색 정화법 탐색 촉진. 기존 흡착, 응집, 고급 산화 공정 높은 운영비, 2차 폐기물 문제. 반도체 기반 광촉매, 특히 태양광 하 유망 대안—재생 에너지원, 최소 부산물. TiO₂ 벤치마크 광촉매이나 넓은 밴드갭 가시광 활성 제한, 빠른 전자-정공 재결합 촉진. 최근 표면 개질 또는 반도체 커플링으로 빛 흡수, 전하 분리 향상 전략 모색.

Bi₅O₇I는 p형 옥시요오다이드로 상대적으로 높은 가격대 가져 강한 산화 정공 생성하나 전하 전달 효율 저조. 적절한 밴드 정렬 가진 n형 SrTiO₃, 열적 안정 페로브스카이트와 커플링 시 효과적 헤테로접합 형성 전자 이동 촉진, 재결합 감소 가능. 본 연구는 SrTiO₃/Bi₅O₇I 나노복합체 합성 선도, 광촉매 성능 및 기저 메커니즘 평가.

방법

SrTiO₃/Bi₅O₇I 복합체 제조

SrTiO₃ 나노입자와 SrTiO₃/BiOI 전구체 먼저 졸-겔법 제조. 복합체 열분해(승온 5 °C min⁻¹ 500 °C, 3시간 유지, 자연 냉각) 거쳐 SrTiO₃ 로딩 10-40 wt% 다양한 SrTiO₃/Bi₅O₇I 나노복합체 얻음.

특성 분석

상 분석 XRD(Cu Kα). 형태, 원소 매핑 FE-SEM/EDS. 표면 화학 XPS. UV-vis 확산 반사(DRS) 광흡수 평가, PL 분광법 전하 재결합 평가. FTIR 작용기 확인.

광촉매 평가

광촉매 활성 500 W Xe 램프(모의 태양광) 하 RhB 분해 측정. 100 mg 촉매 100 mL 20 mg L⁻¹ RhB 분산, 암흑 30분 교반(흡착 평형), 조사. 30분 간격 3 mL 시료 원심분리, UV-vis 분광법으로 RhB 농도 정량.

결과 및 고찰

XRD 분석

순수 SrTiO₃ 예상 페로브스카이트 피크(JCPDS 35-0734). Bi₅O₇I 특징적 사방정계 반사(JCPDS 10-0548). 30 wt% 복합체 두 패턴 중첩, 2차 상 없음으로 성공적 헤테로접합 형성 확인.

XPS 분석

서베이 스캔 Ti, Sr, Bi, I, O 검출. 코어레벨 스펙트럼 Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺, I⁻ 상태 확인, O 1s 피크 격자, 공극 관련 성분 분리로 산소 공극 존재 나타내며 전하 수송 도움.

SEM & EDS

SrTiO₃ 입자 구형(50-300 nm). Bi₅O₇I 나노로드(100-300 nm × 80 nm) SrTiO₃ 입자 감싸 친밀 접촉 생성. EDS 30 wt% SrTiO₃ 함량 확인.

광학적 특성

DRS SrTiO₃ 380 nm UV 에지, Bi₅O₇I 520 nm 가시광 에지. 복합체 480-520 nm 강 흡수 가시광 수확 향상. 밴드갭 계산: SrTiO₃ 3.2 eV, Bi₅O₇I 2.31 eV, 30 wt% 복합체 2.38 eV.

광촉매 활성

모의 태양광 하 30 wt% 복합체 150분 89.6% RhB 제거, 두 순수 물질 능가. 겉보기 속도 상수(k_app) 1.45 × 10⁻² min⁻¹, SrTiO₃ 대비 12.5배, Bi₅O₇I 대비 2.97배 높음. 5사이클 재사용 시험 무시할 활성 손실, 구조적 안정성 확인.

메커니즘 통찰

소광 연구 •O₂⁻와 정공 주도 산화종, 하이드록실 라디칼 무시할 역할. PL 스펙트럼 복합체 현저한 방출 감소로 전자-정공 재결합 억제 나타냄. 계산된 밴드 위치(E_VB = Bi₅O₇I 2.92 eV, SrTiO₃ 2.03 eV) Z-타입 헤테로접합 지지: 전자 SrTiO₃→Bi₅O₇I 흐름, 정공 반대 방향 이동, 효율적 전하 분리 및 •O₂⁻ 생성 구동.

결론

간단 열분해법으로 견고한 Z-타입 헤테로접합 산출 SrTiO₃/Bi₅O₇I 나노복합체 엔지니어링. 30 wt% 복합체 모의 태양광 하 우수한 RhB 광촉매 분해, 향상된 가시광 흡수와 효율적 전하 분리 기인. 이 발견은 폐수 처리 등 적용 가능한 고성능 광촉매 확장 가능 경로 제공.