シミュレートされた太陽光下で優れた光触媒性能を備えたCdTeQD / BiOI促進TiO2中空ミクロスフェアの製造

要約

中空およびヘテロ構造のアーキテクチャは、光触媒性能を向上させるための効果的なアプローチとして認識されています。この作業では、三元TiO ₂ 中空構造の/ CdTe / BiOIは、段階的な方法で構築されました。さらに、TiO ₂の効果 BiOIおよびCdTe量子ドット（CdTe QD）とTiO ₂の構造調節とエネルギーバンドアラインメント TiO ₂ 光触媒染料除去に関する/ CdTe / BiOIも研究されました。結果は、TiO ₂ 中空基板を備えた/ CdTe / BiOIヘテロ構造は、純粋なTiO ₂よりもはるかに高い光触媒活性を示します。、P25、TiO ₂ / CdTe、およびTiO ₂ / BiOIおよび3成分TiO ₂ / CdTe / BiOIと固体基板。 TiO ₂の場合（H）/ CdTe / BiOI、BiOIによる強い可視光吸収やより大きな比表面積など、いくつかの相乗的要因が顕著な可視光光分解性能の原因である可能性があります。

背景

省エネと環境にやさしいメリットにより、半導体光触媒は環境保全への関心を高めています。光触媒は、セルフクリーニング、水処理、空気清浄、抗菌など、さまざまな場面で利用できます[1,2]。その中でも、低コスト、優れた安定性、無毒性[3]の利点により、二酸化チタン（TiO ₂ ）広範囲に調査されています。ただし、バンドギャップが広く、電荷の再結合が比較的速いため、太陽光スペクトルのごく一部しか利用できず、光変換効率が制限されます[4]。

チタニアの可視光光触媒効率を改善するために、イオンドーピング、貴金属負荷、ヘテロ接合構築、および増感を含むさまざまな戦略が採用されてきました[5、6、7、8]。これらの戦略の中で、狭バンドギャップ半導体との結合によって形成されるヘテロ接合は、可視光応答を改善し、同時に電荷の再結合を減らすための最も効果的な方法の1つであると考えられています[9]。

オキシハロゲン化ビスマスは、[Bi ₂]の等方性層状構造であり、低コスト、安定性、光応答範囲が広いことから注目されています[10、11]。 O ₂ ] ²⁺ X ⁻ によって挿入されたレイヤーイオン（X =F、Cl、Br、I）[12]。オキシハロゲン化ビスマスの中で、バンドギャップが最小（1.72–1.9 eV）のBiOI [13]は、RhB [14]およびMO [15]の分解に効果的な可視光光触媒であることが証明されています。 [Bi ₂間の内部電界 O ₂ ] ²⁺ とI ⁻ 層は、光誘起電荷の分離を促進し、光触媒活性を高めることができます[16]。伝導帯と価電子帯の両方の電位は、TiO ₂の電位の間にありますが、タイプIIヘテロ接合は、p型BiOIとn型TiO ₂を結合することによって形成できます。フェルミ準位が平衡に達すると一緒になり、BiOIの伝導帯電子がTiO ₂に移動します。 [17]。これまで、バイナリヘテロ構造光触媒の開発に多くの努力が注がれてきましたが、限られた可視光応答と比較的低い電荷分離効率が依然として障害となっています。

上記の問題を解決するために、多成分ヘテロ接合システムが開発されました。重要なp型II-VI化合物半導体としてのテルル化カドミウム（CdTe）は、1.44 eVの直接バンドギャップ[18]と、太陽スペクトルの大きな光吸収係数[19]により、大きな注目を集めています。 CdTe量子ドット（CdTe QD）は、さまざまな半導体を修飾するために広く使用されています。 [20] CdTeで装飾されたTiO ₂を合成しましたパルス電着法によるナノチューブアレイ、および結果はCdTe / TiO ₂を示したナノチューブアレイ（CdTe / TiO ₂ NTA）は、裸のTiO ₂よりも優れた光触媒特性を示しました。 NTA; Liu etal。 [21]は、ホットバス法によるCdTe / ZnOナノコンポジットの合成を報告し、その結果は、CdTe / ZnOが裸のZnOよりもローダミンBに対して優れた光触媒活性を持っていることを示しました。ただし、二元ヘテロ構造光触媒とは別に、三元ヘテロ構造TiO ₂ CdTeQDで修飾された/ BiOIは、魅力的な光触媒性能を示し、さらに研究する価値があるかもしれません。

本研究では、CdTe QD / BiOI修飾TiO ₂ は、光触媒用途のために2段階の方法で調製され、中実および中空のTiO ₂ ミクロスフェアは前駆体として適用された。さらに、TiO ₂の構造進化 / CdTe / BiOI複合材料、および光触媒プロセスにおけるCdTeとBiOIの相乗効果についても詳細に研究しました。

メソッド

資料

チタンイソプロポキシド（TTIP、97％）および硝酸ビスマス五水和物（AR、99.0％）は、Macklin Inc.から購入しました。塩化カドミウム半五水和物（CdCl ₂ ・2.5H ₂ O、99.0％）、テルライトナトリウム（Na ₂ TeO ₃ 、98.0％）、 N -アセチル- L -システイン（98.0％）、水素化ホウ素カリウム（KBH ₄ 、97％）、水酸化ナトリウム（NaOH、96.0％）、硝酸カリウム（KNO ₃ 、99％）、臭化カリウム（KBr、99％）、塩酸（HCl、36〜38％）、過酸化水素（H ₂ O ₂ 、30％）、エチレングリコール、および無水エタノールはすべて分析グレードであり、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。から購入しました。

TiO ₂の合成中実ミクロスフェアと中空ミクロスフェア

典型的な手順では、0.8mLのKNO ₃ 溶液（0.1 mol / L）を200mLのエタノールに溶解しました。次に、4.4 mLのTTIPを上記の溶液に加え、白い沈殿物が生成されるまで攪拌しました。得られた白色懸濁液を12時間熟成させ、遠心分離し、脱イオン水とエタノールで数回洗浄し、アモルファスTiO ₂ （TiO ₂ ・nH ₂ O）を得ることができた。さらに60℃で12時間乾燥し、450℃で2時間煆焼した後、TiO ₂ 固体ミクロスフェア（TiO ₂ （S））が得られる可能性があります。

TiO ₂について中空のミクロスフェアは、水熱プロセスによって製造されました。通常、TiO ₂ ・nH ₂ O（200 mg）を40mLの0.05wt％H ₂に分散させた O ₂ そして10分間攪拌した。次に、480 mgのNaOH粉末を上記の懸濁液に溶解し、混合物をテフロンで裏打ちしたオートクレーブに移し、180°Cで4時間保持しました。沈殿物を回収し、塩酸塩（0.1 mol / L）に浸しました。脱イオン水で数回洗浄した後、得られたものを前の手順と同様に乾燥および煆焼し、したがって、TiO ₂ TiO ₂とラベル付けされた中空ミクロスフェア（H）、取得されました。

TiO ₂の合成 CdTeQDで変更された球体

TiO ₂ 粉末（2.0 g）を40 mLの脱イオン水に分散させた後、97.9mgの N -アセチル- L -システイン、114.2mgのCdCl ₂ ・2.5H ₂ O、および178mgのKBH ₄ 続いて30分間隔で混合物に添加した。その後、10 mLNa ₂ TeO ₃ （0.01 mol / L）水溶液を上記の混合物に5 mL / minで加えた。次に、システムの温度を30分で100°Cに上げ、6時間還流しました。最後に、生成物を水とエチルアルコールで数回洗浄し、60°Cで12時間乾燥させ、生成物にTiO ₂のラベルを付けました。 / CdTe 。

TiO ₂の製造 / CdTe / BiOI Ternary Composites

簡単に説明すると、TiO ₂ 上記で得られた/ CdTe粉末（258 mg）を10 mLのEGに分散させ、白色の懸濁液を形成しました。その後、Bi（NO ₃ ）₃ 627.6 mgのBi（NO ₃ ）₃ 28mLのEGを15分で上記の懸濁液に滴下しました。次に、214.8mgのKIと24mLのEGを含む溶液を前の混合物に滴下しました。 1時間撹拌した後、黄色の溶液をテフロンで裏打ちしたオートクレーブに移し、80℃で3時間保持しました。得られた沈殿物を収集し、エタノールと脱イオン水で十分に洗浄し、乾燥させ、TiO ₂とラベル付けしました。 / CdTe / BiOI。

バイナリTiO ₂ / BiOIヘテロ構造は、単一成分のTiO ₂を追加することにより、同様の手順で取得されました。上記のソリューションで。

特性評価

X線回折（XRD）パターンは、CuKα線を備えたRigaku D-MAX2500X線回折計で得られました。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、ＪＳＭ－６７００Ｆ電界放出走査型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ、日本）を使用して得られた。サンプルの透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、JEM-2100顕微鏡（JEOL、日本）で加速電圧200kVで取得されました。窒素吸着/脱着等温線は、表面積および細孔サイズアナライザー（NOVA 1000e、Quantachrome Instruments）を使用して77 Kで測定され、比表面積を評価するためにBrunauer-Emmett-Teller（BET）法が適用されました。 X線光電子分光法（XPS）分析は、AlKα（1486.6 eV）無彩色X線源を備えたXSAM800（Kratos Corporation、UK）で実行されました。光吸収スペクトルおよび拡散反射スペクトル（DRS）は、紫外可視分光光度計（CARY500UV、Varian）を使用して取得しました。フォトルミネッセンススペクトルは、365nmの励起波長で島津RF-5301を使用して記録されました。過渡光電流は、作用電極として触媒堆積FTOガラス、対電極としてPt、および電解質の参照電極としてSCEを使用する標準的な3電極システムを備えた電気化学ワークステーション（CHI760E、上海陳華、中国）によって分析されました。 0.5 MNa ₂ SO ₄ 。

光触媒性能

合成された複合材料の光触媒活性は、500 WのXeアークランプを光源として使用して、メチルオレンジ（MO）の分解に基づいてテストされました。ここでは、石英ビーカーに入れた50 mLのMO溶液（5 mg / L）に140mgの光触媒を加えました。照明の前に、懸濁液を暗いチャンバー内で30分間撹拌して、光触媒とMO溶液の間の吸着-脱着平衡を達成しました。次に、混合物を180分間照射し、溶液の4mLアリコートを45分間隔でサンプリングしました。上澄みから触媒を除去するために、混合物を8000rpmで3分間遠心分離した。光触媒の安定性試験では、各サイクルの後にサンプルを脱イオン水で洗浄し、次のサイクルのために新しいMO溶液に添加しました。 MOの残留濃度は、UV-vis分光光度計（CARY500UV、Varian）を使用して監視し、分解率は465nmでの最大吸収を比較することによって定量的に分析しました。

通常、穴（h ⁺ ）、電子（e ⁻ ）、スーパーオキシドラジカル（•O ⁻ ₂ ）、およびヒドロキシルラジカル（•OH）は、照射下で半導体光触媒システムで生成される可能性があります。光誘起活性種のラジカル捕捉試験を実施した。除去実験は、エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩（EDTA-2Na、2 mmol / L）、臭素酸カリウム（KBrO ₃）を使用した光触媒分解試験と同様でした。、10 mmol / L）、ベンゾキノン（BQ、1 mmol / L）、およびイソプロピルアルコール（IPA、10 mmol / L）を使用してh ⁺ を除去しました。、e ⁻ 、•O ⁻ ₂ 、および•OH反応種。

結果と考察

図1は、TiO ₂の粉末X線回折パターンを示しています。、TiO ₂ / CdTe、TiO ₂ / BiOI、およびTiO ₂ / CdTe / BiOI。 TiO ₂ すべてのサンプルで特徴的なピークを選択でき、25.5°、37.8°、48.8°、53.5°、および55.6°で2θ値を持つピークは、（101）、（004）、（200）、および（ 105）、（211）アナターゼのファセット（JCPDS＃84-1285）[22]。図1c、dに示すパターンから、TiO ₂のピークに加えて、29.7°、31.7°、45.5°、および51.3°の2θでの回折ピークが示されています。、これは正方晶BiOI（JCPDS＃73-2062）[23]と一致しています。ただし、BiOIのピークは、TiO ₂ではるかに顕著です。 / BiOI TiO ₂よりも / CdTe / BiOI。 TiO ₂について / CdTe（図1b）、TiO ₂以外に、XRDパターンに明確に見られるピークはありません。、結晶子サイズが小さいか、CdTeQDの投与量が少ないため。

二元TiO ₂の外部形態 / CdTeおよび三元TiO ₂ / CdTe / BiOIは、図2に示すように、SEMを使用して特徴付けられます。すべてのTiO ₂の全体的な観察ベースの複合材料は、直径が約200〜400 nmの球状の形態を示し、フレーク状のBiOIがTiO ₂の表面に堆積します。 TiO ₂を除く球 / CdTeを図2aに示します。 TiO ₂のSEM画像図2bに表示されている（S）/ CdTe / BiOIは、TiO ₂と同様の状況を示しています。（S）/ CdTe、およびTiO ₂ （S）球は、比較的規則的な形態のBiOIフレークで覆われています。ただし、TiO ₂の場合はまったく異なります。（H）/ CdTe / BiOI、図2c、dに示すように、粒子はさまざまなサイズとカリフラワーのような表面を持つ不均一な形態を持っています。さらに、BiOIフレークはTiO ₂に付着しやすいようです。（H）/ CdTeは、TiO ₂に由来する粗い表面によって引き起こされます（H）、およびTiO ₂の元の中空構造（H）マトリックスは拡大図で識別できます。

TEM画像は、三元TiO ₂の構造進化へのさらなる洞察を提供します / CdTe / BiOI、図3に示すように。均一なサイズで十分に分散した固体球状TiO ₂ 図3aではっきりと観察でき、この領域にもいくつかの小さな粒子が見られます。 TiO ₂の（004）面に対応する0.238nmと0.33nmの格子間隔 CdTeの（111）面は、図3bで識別でき、TiO ₂間のヘテロ接合の形成を示しています。球とCdTe量子ドット。図3cから、固体の球状TiO ₂の表面に多数のフレークが付着していることがわかります。、および図3dの格子縞は0.282 nmであり、これはBiOI結晶の[110]方向に一致しています。さらに、界面の拡大は、TiO ₂にCdTeQDとBiOIフレークが存在することも証明しています。（S）/ CdTe / BiOI。対照的に、図3eはTiO ₂を示しています（H）/ CdTe / BiOIは、見かけのフレーク状の粒子が付着していない、凝集した中空球の形態に現れます。この現象は、BiOIコンポーネントが、TiO ₂の巨大な表面として、おそらくはるかに小さな粒子で構成されていることを意味します。（H）球体。これは大量の一次TiO ₂で構成されています。ナノ粒子は、核形成サイトを分散化します。同様に、界面の拡大図は、ヘテロ構造の三元TiO ₂の存在を確認します。図3fに示すように、（H）/ CdTe / BiOI複合材料、およびCdTeの（111）結晶面とBiOIの（002）結晶面を明確に見つけることができます。

図4は、三元TiO ₂の窒素吸着/脱着等温線を示しています。（S）/ CdTe / BiOIおよびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIヘテロ構造。 IUPACの分類によれば、両方の等温線はタイプIV等温線と同様の特性を示します[24]。ただし、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIは、0.4〜0.8の範囲のH2タイプのヒステリシスループを持っています[25]。これは、均一なTiO ₂の蓄積を示します。直接煆焼による穀物、一方TiO ₂ ステーキング細孔によるH3タイプのヒステリシスループを持つ（H）/ CdTe / BiOIは、熱水ナノシートまたはナノチューブ前駆体から得られ[10]、結果はSEMおよびTEM画像と一致しています。さらに、TiO ₂の比表面積（S）/ CdTe / BiOIおよびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIは77.7および91.6m ² と計算されました g ^-1 Brunauer-Emmett-Teller（BET）メソッドを使用します。 TiO ₂の比較的大きな表面積（H）/ CdTe / BiOIミクロスフェアは、反応物分子を吸着するためのより活性な部位を提供し、より効率的な光触媒性能をもたらす可能性があります。

上記の議論によると、TiO ₂の進化 / CdTe / BiOIヘテロ構造は、スキーム1で説明できます。または、アモルファスTiO ₂ ミクロスフェアは、TiO ₂に変換することもできます単純な煆焼手順を介して直接固体ミクロスフェア。次の水熱プロセス中に、既存のTiO ₂ / CdTe QDミクロスフェアは、BiOI結晶化の核生成サイトとして機能する可能性があり、したがって、三元TiO ₂ / CdTe / BiOIヘテロ構造が同時に形成されます。 BiOIには固有の急速な核形成速度と成長速度があることはよく知られています。その結果、比較的大きなサイズで少量のBiOI粒子がTiO ₂上に形成されます。（S）、[110]方向に沿って成長するフレーク状の形状。ただし、TiO ₂の場合（H）BiOI結晶化のためのより大きな表面を有するミクロスフェア、BiOI粒子は、サイズが比較的小さく、量が豊富な形で存在する傾向があります。したがって、TiO ₂の表面形態 SEMとTEMの結果が示唆するように、ミクロスフェアはBiOI粒子の形状と形状を決定します。

XPSを使用して、準備したままのサンプルの表面電子状態と化学組成を調査します。結果を図5に示します。XPS調査スペクトルから、TiO ₂ / CdTe / BiOIには、Ti、O、Bi、I、Cd、およびTe元素が含まれています。図5bは、458.5eVおよび464.2eVの結合エネルギーに対応するTi2pの高分解能XPSスペクトルのピークが、Ti 2p _3/2に起因することを示しています。およびTi2p _1/2 、これはTi（IV）酸化状態を示し[26]、5.7 eVの測定された結合エネルギー（BE）分離はTiO ₂と一致しています。 [27]。ただし、Ti 2p _1/2の結合エネルギーおよびTi2p _3/2 TiO ₂の場合 / CdTeおよびTiO ₂ / CdTe / BiOIはそれぞれ457.5と463.3eVであり、どちらも裸のTiO ₂と比較して低エネルギー領域に約0.8eVシフトしています。、CdTeとTiO ₂の間の強い相互作用をさらに証明します。 529.5eV付近のO1のコアレベルスペクトル（図5c）は、裸のTiO ₂の格子Oに関連付けられています。 Ti-O結合に関連するサンプル[28]。 TiO ₂のO1sピークのより低い結合エネルギーへのシフトは言及に値します。 / CdTeおよびTiO ₂ / CdTe / BiOIサンプルは、酸素イオンの損失を示しています[27]。これは、TiO ₂でのCdTeの部分酸化に起因する可能性があります。。この結果は、Ti 2pのシフトとよく一致し、TiO ₂間の界面の形成を意味します。、BiOI、およびヘテロ接合のCdTe。 Te 3d _5/2 スペクトル（図5e）は、BEでそれぞれ564.1eVと577.1eVのテルル化合物の2つの状態を示しています。これらは、CdTeに特徴的です。

多成分半導体では光吸着特性が重要であると考えられるため、TiO ₂の光吸収スペクトル（S）、TiO ₂ （S）/ CdTe、TiO ₂ （S）/ BiOI、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOI、およびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIを図6aに示します。準備されたままのTiO ₂ は市販のP25と同様の傾向を示しており、典型的な紫外線応答特性を示唆しています。二元および三元複合材料に関しては、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIは、可視領域でTiO ₂よりもはるかに明白な吸収を持っています。（S）/ CdTeおよびTiO ₂ （S）/ BiOI、CdTeQDローディングによるコンポーネント間の強化された接続を反映しています。そして、TiO ₂の吸収可視域の（S）/ CdTe / BiOIは、TiO ₂よりも少し弱いです。（H）/ CdTe / BiOI;この現象は、中空構造のTiO ₂による分散効果によるものと考えられます。上記のミクロスフェア。挿入画像は、（Ahv）のTaucプロットを示しています ^1/2 対 hv サンプルの。 TiO ₂のバンドギャップ（S）、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOI、およびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIは、横軸に直線を外挿することで推定され、それぞれ3.02 eV、2.57 eV、2.45eVと推定されます。注目に値するのは、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIは、TiO ₂とは異なる小さな膨らみを表示します（H）/ CdTe / BiOIは、0.12 eVの青方偏移に関係なく、上記のSEM結果が示すように大きなBiOI粒子の不均一な分布を示唆しています。

両方の光触媒の電子特性と構造をさらに理解するために、電気化学的Mott-Schottky実験を0.5 MNa ₂で実施します。 SO ₄ 、図6bに示すように。図6bから、すべてのサンプルはMott-Schottkyプロットで正の傾きを示しており、準備された複合材料が見かけのn型半導体であることを示しています[29、30]。また、サンプルの伝導帯位置（CB）エネルギーは、フラットバンド電位（ E ）とほぼ等しくなります。 _fb ） X を外挿する Mott-Schottkyプロットの線形部分の切片。 E の値 _fb TiO ₂ （S）、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOI、およびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIは、それぞれ-0.76 V（vs SCE）、-0.80 V（vs SCE）、および-0.85 V（vs SCE）であることがわかります。 Mott-Schottky測定で使用したSCEは、NHE [31]に対して-0.24 Vの値を持っているため、TiO ₂のCBMは（S）、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOI、およびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIサンプルは、それぞれ-0.52 V（vs NHE）、-0.56 V（vs NHE）、および-0.6 V（vs NHE）と計算できます。これは、Oの還元電位よりも負です。 ₂ /•o ⁻ ₂ （E ⁰ （O ₂ /•o ⁻ ₂ ）=− 0.33 V vs NHE）。さらに、図6のバンドギャップ値と組み合わせると、価電子帯の最大値（VBM）はそれぞれ2.5 V（vs NHE）、2.01 V（vs NHE）、および1.85 V（vs NHE）になります。

図7aは、触媒を含まない溶液中およびさまざまな光触媒上でのMOの光触媒分解を示しています。 TiO ₂ 固体ミクロスフェアとP25は、シミュレートされた太陽光の下での光触媒活性が比較的低く、劣化は光源からの小さな紫外線部分によって引き起こされます。対照的に、TiO ₂の光触媒性能（S）/ BiOIおよびTiO ₂ （S）/ CdTeはわずかに向上し、MO除去率は180分の照射後にそれぞれ46.3％と57.5％に達しました。 MOの光触媒分解は、TiO ₂の場合、180分で88.4％、90分で99.7％を達成できることは注目に値します。（S）/ CdTe / BiOIおよびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOI、それぞれ、相乗的なバイナリ可視応答コンポーネントBiOIおよびCdTeQDによる。さらに、より効率的なTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOI over TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIは、おそらくわずかに大きい比表面積（91.6 m ² ）が原因です。 g ^-1 77.7 m ² 以上 g ^-1 ）上記のように。図7bは、TiO ₂のサイクル劣化実験を示しています。（S）/ CdTe / BiOIおよびTiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIコンポジット。 3サイクル後、光分解効率がわずかに低下します。

TiO ₂によるMO光触媒分解の経路を評価するため / CdTe / BiOI、h ⁺ の効果、e ⁻ 、•OH、および•O ⁻ ₂ EDTA-2Na（h ⁺ ）を使用したトラップ実験によって調査されました）、KBrO ₃ （e ⁻ ）、BQ（•O ⁻ ₂ ）、およびIPA（•OH）。図8は、選択したスカベンジャーの存在下でのこれらの光触媒実験中のMOの分解効率を示しています。スカベンジャーがない場合よりも光触媒プロセスが抑制され、EDTA-2Naの存在下では分解効率がほとんどないことがわかります。ただし、e ^- スカベンジャーは劣化を加速する可能性があり、これは穴（h ⁺ ）は、MO分解の主な活性種です。 •O ⁻ としてのBQ ₂ スカベンジャーは劣化にわずかな影響を与えただけで、•O ⁻ ₂ 光触媒酸化プロセスに部分的に責任があります。さらに、TiO ₂に対するIPAの影響 / CdTe / BiOIサンプルによるMOの除去はほとんど観察されません。これは、•OHラジカルが現在の光触媒システムではほとんど役に立たないことを示しています。

フォトルミネッセンス発光分光法（PL）は、光生成された電荷キャリアの移動挙動をさらに研究するために実施されます。図9に示すように、すべてのサンプルは、約450〜500 nmで広いPL発光ピークを示し、365nmで励起されます。裸のTiO ₂ （S）は強い発光ピークを持ち、TiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIサンプルは、TiO ₂よりも低い強度を示します。（S）。この現象は、TiO ₂の表面にCdTeとBiOIを装飾した後、光生成電荷キャリアの再結合率が効率的に抑制されたことを示しています。。さらに、TiO ₂ （H）/ CdTe / BiOIは、他のサンプルと比較して大幅に減少したPL強度を示します。これは、CdTeQDまたはBiOIナノシートからTiO ₂の表面への電子と正孔の移動が速いためです。。 PLの結果は、光分解実験の結果と一致しています。

サンプルの光電流を図10に示します。TiO₂は注目に値します。（S）/ CdTe複合材料は、純粋なTiO ₂よりも高い光電流応答を示しました。（S）およびTiO ₂ （S）/ CdTe / BiOIコンポジット。したがって、光電流の増加は、主に効率的な光生成分離および移動に起因する可能性があり、これは光触媒性能に利益をもたらします。

Based on the results and discussions above, we propose a synergistic CdTe QDs/BiOI sensitization mechanism of the exciton transfer in TiO₂ /CdTe/BiOI to explain the enhanced photo activity, as illustrated in Scheme 2. It is well known that TiO₂ with a wide bandgap (3.02 eV) could only utilize the UV region in solar light, while the narrow bandgap CdTe QDs (~ 1.5 eV) [32] and BiOI nanostructures (~ 1.8 eV) [33] can be excited by photons in the visible range. In addition, a p-n junction is formed between p-type BiOI and n-type TiO₂ when Fermi levels reached equilibrium, which facilitate photo-induced electrons to migrate from CB of BiOI to that of TiO₂ [17, 34]. Similarly, a type II heterojunction is formed between p-type CdTe [18] and TiO₂ microspheres; thus, electrons in the CB of CdTe QDs can transfer to TiO₂ [35]。 Therefore, the lifetime of the photogenerated electron and hole is prolonged, which is beneficial for the degradation towards MO.

結論

In summary, a series of TiO₂ -based photocatalysts were synthesized by a facile hydrothermal method. Modifications by BiOI and CdTe QDs were carried out to fabricate binary and ternary heterostructures, and the narrow bandgap semiconductors extended light response for the hybrid photocatalysts. In the case of ternary TiO₂ /CdTe/BiOI heterostructured photocatalyst, the BiOI flakes and CdTe QDs act as sensitizers on one hand, which are excited by simulated solar light and transfer electrons to TiO₂ 。 Meanwhile, the TiO₂ microspheres serve as separation centers for the photo-induced charges on the other hand; thus, the synergistic effect among TiO₂ , CdTe, and BiOI enhances the photocatalytic removal of MO. In addition, hollow TiO₂ precursors were also employed to fabricate TiO₂ /CdTe/BiOI heterostructures, and the improved photocatalytic performance towards MO degradation is attributed to a higher surface area and dispersion of BiOI components. The strategy of material regulation and incorporation will provide possibilities for the design of the multi-component semiconductor photocatalysts.