Ag / BiPbO2Clナノシート複合材料の強化された可視光応答性光触媒特性

要約

Ag / BiPbO ₂ Clナノシート複合材料は、水熱合成と光還元によってうまく調製されました。調製したままのAg / BiPbO ₂の形態、微細構造、および光学特性 Clナノシート複合材料は、TEM、XRD、およびUV-Vis拡散反射分光法を使用して特性評価されました。準備されたAg / BiPbO ₂ 0.5 wt％のAgを含むClナノシート複合材料は、BiPbO ₂の3.6倍の良好な光触媒活性を示します。 Clナノシート。強化された光触媒特性は、内部電磁界、より高い可視光応答範囲、優れた導電率、およびAgのより低いフェルミ準位に起因する可能性があります。

背景

近年、環境汚染はますます深刻になっています。有機汚染物質の問題を解決するために、半導体光触媒材料はその独特の利点のために広く採用されてきました[1,2,3,4]。 ZnO、TiO ₂ 、およびその他のワイドバンドギャップ半導体は、有機汚染物質の光触媒分解で人気があります[5、6、7、8]。ただし、ワイドバンドギャップ半導体は紫外線しか吸収できないため、これらの触媒の用途は限られています。したがって、可視光に反応する光触媒材料を探す必要があります[9、10]。

ビスマスベースの半導体光触媒は、豊富な構造特性と適切な価電子帯位置を備えており、有機物分解の要件を満たすことができます[11、12]。その中で、BiPbO ₂ Clは、バンドギャップが狭く、[BiPbO ₂の間に電界が組み込まれているため、賞賛に値すると考えられています。 ]および[Cl]プレート、およびハイブリッドバンド構造[13、14]。それにもかかわらず、速い電子正孔再結合率は、光触媒の分野でのその応用を制限します。

半導体光触媒材料と貴金属またはグラフェンとの組み合わせにより、それらの光触媒特性を改善できることが報告されています[15、16]。これは、合成後に光生成電子と正孔の再結合率が低下するためです。 Au、Ag、Ptなどの貴金属は、光生成された電子と正孔を分離するための電子受容体として使用されてきました[17、18]。

このホワイトペーパーでは、Ag / BiPbO ₂ Cl複合光触媒は、BiPbO ₂の光触媒特性を改善するために、水熱法と光還元によって合成されました。 Clナノシート。準備されたAg / BiPbO ₂ 0.5 wt％のAgを含むClナノシート複合材料は、BiPbO ₂の3.6倍の良好な光触媒活性を示します。 Clナノシート。

メソッド

Ag / BiPbO ₂の準備 Clナノシート複合材料

BiPbO ₂ Clナノシートは、以前に使用したように1ステップの水熱合成法で調製しました[13]。 Ag / BiPbO ₂ Cl複合材料は光還元によって合成されました。得られたBiPbO ₂ Cl（1 mmol）をマグネチックスターラーで20 mLの脱イオン水に分散させた後、適量のAgNO ₃ 追加されました。次に、懸濁液に500 W Xeランプを室温で3時間攪拌しながら照射し、カットオフフィルターを使用して420nm未満で光を遮断しました。得られた顆粒を脱イオン水で洗浄して残留有機物を除去し、空気中80℃で2時間乾燥させました。 BiPbO ₂の光触媒活性に対するAg含有量の影響を研究するために Cl、Agの添加含有量は、0.25、0.5、および0.75 wt％と表示されました。

光触媒活性

光触媒活性は、XPAシリーズの光化学反応装置で、420nmのカットオフフィルターを備えた500WXeランプによって特徴づけられました。サンプルの光触媒活性の特性評価は、有機染料としてメチルオレンジ（MO）によって使用されました。光触媒性能試験中、50 mg Ag / BiPbO ₂ Clナノシート複合粉末を50mLのMO水溶液（10 mg / L）に加え、暗所で1時間連続攪拌しました。溶液の吸収スペクトルは、島津UV-2700分光計で収集されました。

サンプルの特性評価

粉末のX線回折（XRD）パターンは、PANalytical X’Pert Pro X線回折計でCuKα放射線（1.54178Å）を使用して測定されました。表面形態は走査型電子顕微鏡（SEM、日立S-4800）で得られた。透過型電子顕微鏡（TEM）の形態は、JEOL JEM-2011TEMで測定されました。島津UV-2450でUV-vis拡散反射スペクトルを測定しました。 X線光電子分光法（XPS）は、Pekin Elmer PHI-5300XPSで測定されました。フォトルミネッセンス（PL）発光スペクトルは、320nmの励起波長で島津RF-5301で測定されました。

結果と考察

BiPbO ₂の光触媒活性 ClおよびAg / BiPbO ₂ Cl複合材料は、可視光（> 420 nm）の照射下でのMOの劣化で評価されています。 MO液体の濃度は、464nmでの相対吸収強度によって特徴付けられます。図1aは、BiPbO ₂の可視光光触媒活性を示しています。 ClおよびAg / BiPbO ₂ Clコンポジット。分解する前に、光触媒を含むMO溶液を暗所で1時間撹拌して、吸着平衡を達成しました。図1aから、BiPbO ₂の光触媒効率は結論付けることができます。 Cl複合材料は、Ag含有量の増加とともに増加し、Ag含有量が0.5 wt％のときに最大に達します。これは、Agによる光生成電子の吸収が原因である可能性があり、その結果、光生成電子正孔再結合率が低下し、それによってその光触媒活性が増加します。 Ag含有量がさらに増加すると、その光触媒効率は低下します。 Agの含有量がさらに増えると、BiPbO ₂の含有量が増加します。それに応じてClが減少し、その結果、光生成キャリアの数が減少し、光触媒活性も減少します。図1bは、BiPbO ₂の光触媒反応速度を示しています。 ClおよびAg / BiPbO ₂ Clコンポジット。図1bから、Ag / BiPbO ₂に対するMO劣化率を引き出すことができます。 Clコンポジット（0.0158 min ^-1 ）はBiPbO ₂の約3.6倍です Cl（0.0044分^-1 。

形態と微細構造を研究するために、SEM、TEM、およびXRDを採用してBiPbO ₂を研究しました。 ClおよびAg / BiPbO ₂ Clコンポジット。図2aから、BiPbO ₂ Clは、厚さが約12nmのナノシートとして機能します。図2bは、0.5 wt％Ag / BiPbO ₂のSEM形態を示しています。 Cl複合材料;銀ナノ粒子は、ナノシートBiPbO ₂の表面にランダムに分布しています。 Cl。 Ag粒子の直径は約10nmです。 HRTEM（図2c）画像もAgの存在を示しています。 Agの存在は、XPSによってさらに証明されます。図2dは、BiPbO ₂のXRDを示しています。 Clおよび0.5wt％Ag / BiPbO ₂ Clコンポジット。 BiPbO ₂のXRDパターンとの比較 Cl、Ag / BiPbO ₂のパターン Cl複合材料には明らかな変化はありません。これは、Agの量が少ないことが原因である可能性があります。組成分析はEDSによって測定されます（図3）。サンプルには、Bi、Pb、O、Cl、Agの元素が含まれています。さらに、EDS元素マッピングは、Ag元素がAg / BiPbO ₂全体に均等に分布していることを示しています。 Clコンポジット。

サンプルの表面化学状態を研究するために、Ag / BiPbO ₂を研究するためにXPS分析が採用されました。 Clコンポジット。図4aに示すように、Bi、Pb、O、Cl、およびAgの存在がXPSスペクトルで観察されました。図4bに示すように、Bi 4f _7/2のピークおよびBi4f _5/2 それぞれ159.1および164.5eVにあり、Bi ³⁺ の特性と一致しています。 [19、20]。 Pb 4f _7/2のピークおよびPb4f _5/2 137.9および142.8eVに位置し（図4c）、これはPb ²⁺ の特性と一致しています。 [21]。 O1sのピークは529.8eVにあり、これはO ^2- に属します。 Bi–O結合から（図4d）。図4eに示すように、Cl2pの2つのピークは197.8と199.4eVにあり、これはCl ^1- の特性と一致しています。 [22]。図4fに示すように、368.1と374.3 eVの2つのピークが観察されます。これは、Ag 3d _3/2に対応します。およびAg3d _5/2 、それぞれ。張らによって報告された結果によると。 [23]、368.6および374.6 eVのピークは、Ag ⁰ に起因する可能性があります。。

黄色のBiPbO ₂と比較 Clナノシート、Ag / BiPbO ₂の色 Cl複合材料は、Ag含有量の増加とともに暗くなります。 BiPbO ₂のUV-vis吸収スペクトル ClおよびAg / BiPbO ₂ Cl複合材料を図5aに示します。 600 nm未満の波長での強い吸収は、BiPbO ₂の光学バンドギャップに関連しています。 Cl。 BiPbO ₂の表面にAgをロードした後 Cl、450〜800 nmの範囲での吸光度は、純粋なBiPbO ₂の吸光度よりも高くなっています。 Clは、AgとBiPbO ₂の複合体によって引き起こされる表面プラズモンの吸収特性によるものです。 Cl [24]。その結果、BiPbO ₂の表面にAgをロードした後 Cl、BiPbO ₂の可視光応答範囲 Clが増加します。図5aから計算されたバンドギャップを図5bに示します。 Agと配合した後、BiPbO ₂のバンドギャップ Clは2.05から1.68eVに減少します。さらに、BiPbO ₂のフォトルミネッセンス発光スペクトル ClおよびAg / BiPbO ₂ Cl複合材料は、光生成された電子と正孔の再結合率を反映するために実行されます。図5cに示すように、BiPbO ₂の表面にAgをロードすると、PL強度が大幅に低下します。 Cl。これは、BiPbO ₂からの光生成電子の高速転送に起因します。 ClからAgになり、光生成された電子と正孔の再結合率が低下します[25]。

Ag / BiPbO ₂の高い光触媒活性の原理 Cl複合材料は次のとおりです。まず、AgとBiPbO ₂の組成により、可視光の応答範囲が広がります。 Cl。次に、BiPbO ₂の表面へのAgの負荷 Clは内部電磁界を生成する可能性があります。 BiPbO ₂の場合 Cl半導体表面がAgと接触し、キャリアの再分配が実現されます。 Agのフェルミ準位はBiPbO ₂よりも低いため Cl [26]、光励起された電子はBiPbO ₂から移動します図6bに示すように、フェルミ準位が同じになるまでClからAgの粒子が生成され、ビルトインフィールドが形成されます。光生成された電子はBiPbO ₂からすばやく移動します内部電磁界とAgの優れた導電性の助けを借りてClからAgへ。第三に、図6aに示すように、BiPbO ₂によって生成された電子 Clは分子O ₂を還元します O ₂を形成する •活性種[27]。一方、光生成された正孔は、BiPbO ₂の表面に残る傾向があります。 Cl。そして、これらの穴はBiPbO ₂の表面の水分子を変換します OH•活性種へのCl。 O ₂のこれらの活性種の影響下 •およびOH•、MO分子はCO ₂に分解されますおよびH ₂ O.これらの結果は、BiPbO ₂の表面へのAgの負荷を示しています。 Clは高い可視光の光触媒活性を生み出す可能性があります。

結論

要約すると、非常に効率的なAg / BiPbO ₂ Cl複合材料は、水熱合成と光還元によって調製されました。得られた0.5wt％Ag / BiPbO ₂ Clナノシート複合材料は、BiPbO ₂の3.6倍の優れた光触媒活性を持っています。 Clナノシート。 BiPbO ₂の後 ClナノシートとAgが複合化され、可視光の応答範囲が広がり、電子正孔再結合率が低下するため、可視光の光触媒特性が向上します。 Ag / BiPbO ₂の優れた光触媒特性 Cl複合材料は、内部電磁界、より高い可視光応答範囲、優れた導電率、およびAgのより低いフェルミ準位に起因します。