현장 Z-스킴 BiOBr₀.₃I₀.₇/Ag/AgI 나노복합체로 가시광 광촉매 향상

초록

BiOBr₀.₃I₀.₇, Ag, AgI로 구성된 일련의 전고체 Z-스킴 광촉매를 현장 침전과 광환원 경로로 합성. 가시광 조사 하에서 BiOBr₀.₃I₀.₇/Ag/AgI 복합체는 메틸 오렌지(MO) 분해에서 BiOBr₀.₃I₀.₇ 또는 AgI 단독보다 현저히 높은 광촉매 성능 표시. 최적 촉매(15wt% Ag)는 20분 내 89% MO 제거 달성. 우수한 활성은 Ag 나노입자가 전자 전달 매개하는 Z-스킴 경로로 효율적 전하 캐리어 분리에 기인. •O₂⁻와 h⁺가 주요 반응 종, ·OH는 부차적 기여.

배경

광촉매는 태양 에너지를 화학 연료로 변환하고 상온에서 유기 오염물질 광물화하는 지속 가능한 경로 제공. BiOBr₁₋ₓIₓ 고용체는 층상 결정 구조로 밴드갭 조절 가능해 특히 매력적. 그러나 양의 전도띠로 산화환원 파워 제한. Z-스킴 시스템은 두 반도체를 전자 매개체로 결합하여 가장 음의 전도띠와 가장 양의 원자가띠 보존, 산화환원 능력 향상. 귀금속 매개 Z-스킴이 셔틀 레독스 시스템보다 강건하고 효율적 입증. 은 요오드화물은 음의 전도띠와 강한 광분해로 Z-스킴 구축에 적합한 파트너. 본 연구에서는 BiOBr₀.₃I₀.₇에 Ag와 AgI를 현장 조립하여 전고체 Z-스킴 형성, 가시광 광촉매 현저 개선 보고.

방법/실험

재료

질산 비스무트 오수화물, 질산은, 브로마이드 칼륨, 요오드화 칼륨, 메틸 오렌지, tert-부탄올 상업적 공급품 그대로 사용.

BiOBr₀.₃I₀.₇ 및 BiOBr₀.₃I₀.₇/Ag/AgI 합성

BiOBr₀.₃I₀.₇은 초음파 보조 가수분해로 제조. Z-스킴 복합체 위해 0.5g BiOBr₀.₃I₀.₇을 50ml AgNO₃ 용액(Ag:I=15wt%)에 분산. 1시간 교반으로 AgI 침전, 300W Xe 램프(200mW/cm²)로 10분 조사하여 Ag⁰ 나노입자 광환원. 고체 수집, 세척, 60°C 건조. AgNO₃ 농도 변화로 BAA-1~BAA-4(5%, 10%, 15%, 20% Ag) 획득.

특성 분석

XRD(브루커 D8), SEM(자이스 Ultra 55), TEM/HRTEM(JEM-2100), EDS, XPS(써모 ESCALAB 250Xi), EPR(브루커 ER 200-SRC), UV-Vis DRS(히타치 U-41000)로 결정 구조, 형태, 조성, 전자 상태, 광학 특성 탐구.

광촉매 활성 테스트

10mg/L MO 가시광(400nm 컷오프) 하 300W Xe 램프로 분해 평가. 100mg 촉매 150ml MO 용액 분산, 어두운 조건 30분 교반 흡착 평형 도달 후 조사. 5분마다 시료 채취, 원심분리, 465nm에서 MO 농도 측정.

결과 및 고찰

구조적 및 형태학적 분석

XRD 패턴은 AgI 증착과 Ag⁰ 형성 후 BiOBr₀.₃I₀.₇ 상 변화 없음 확인. 23.7° 피크(AgI (111)) Ag 함량 증가 시 강화. SEM/TEM 이미지 200-600nm BiOBr₀.₃I₀.₇ 나노플레이트 위 ~10nm Ag/AgI 입자 장식 확인. HRTEM은 Ag(0.233nm), AgI(≈0.350nm), BiOBr₀.₃I₀.₇(≈0.285nm) 격자 무늬 분해, Z-스킴 전송에 필수적 밀착 접촉 확인.

조성 및 광학 특성

XPS는 Bi, Br, I, O, Ag 검출, 뚜렷한 Ag⁺와 Ag⁰ 피크로 이온성과 금속성 은 공존 확인. SEM-EDS는 BiOBr₀.₃I₀.₇/AgI에서 ~2.8% AgI, 광환원 후 BAA 시료 더 높은 Ag 함량 확인. UV-Vis DRS는 BAA 복합체 400-575nm 강한 흡수, 고 Ag 로딩 시 약간 감소. 밴드갭 계산: BiOBr₀.₃I₀.₇ 1.61eV, AgI 2.83eV, 해당 VB/CB 전위 NHE 기준 2.71eV/1.10eV, 2.52eV/-0.31eV.

광촉매 성능

가시광 하 BAA-3(15% Ag) 20분 내 89% MO 제거, BiOBr₀.₃I₀.₇과 BiOBr₀.₃I₀.₇/AgI 능가. 낮은 Ag 로딩(5%, 10%)은 불충분한 Z-스킴 형성으로 덜 효과적, 20% 로딩은 과도한 Ag⁰로 재결합 촉진. 향상 활성은 효율적 전하 분리기인: BiOBr₀.₃I₀.₇ 광여기 전자 Ag로 이동, AgI VB로 전달, AgI CB에 강한 환원 전자, BiOBr₀.₃I₀.₇ VB에 강한 산화 정공 남김.

메커니즘 통찰

t-BuOH(·OH 소거제), KI(정공 소거제), N₂(초산화물 소거제) 라디칼 트래핑 실험으로 h⁺와 ·O₂⁻가 주 활성 종, ·OH 부차적 역할 밝혀짐. 조명 하 EPR 스펙트럼 ·O₂⁻와 ·OH 생성 확인, TEMP 신호(정공 지표) 감소로 정공 관여 입증. 제안된 Z-스킴 메커니즘(그림 6)은 밴드 에지 계산과 실험 관찰과 정합.

결론

현장 합성 BiOBr₀.₃I₀.₇/Ag/AgI Z-스킴 복합체는 MO 가시광 광촉매 분해 현저 개선, 15% Ag 로딩에서 20분 내 89% 제거. 향상 성능은 강한 산화와 환원 전위 보존하는 효율적 Z-스킴 전하 전달 경로 기인. 이 소재는 유기 오염물질 정화 실용 응용에 유망.

약어

AM 1.5

대기질량 1.5

CB

전도띠

EDS

에너지 분산 분광법

EPR

전자 상자성 공명

FFT

푸리에 변환 적외선

HRTEM

고분해능 투과 전자 현미경

MO

메틸 오렌지

NHE

표준 수소 전극

SEM

주사 전자 현미경

SPR

표면 플라즈몬 공명

t-BuOH

터셔리 부탄올

TEM

투과 전자 현미경

UV-Vis DRS

자외선-가시광 확산 반사 분광법

VB

원자가띠

XPS

X선 광전자 분광법

XRD

X선 회절