Síntese fácil de WS2 / Bi2MoO6 heteroestruturado como fotocatalisadores acionados por luz visível de alto desempenho
Resumo
Neste artigo, o romance WS 2 / Bi 2 MoO 6 fotocatalisadores heteroestruturados foram fabricados com sucesso através de um método de crescimento solvotérmico fácil usando WS pré-esfoliado em camadas 2 nanoslices como substrato. A estrutura, morfologia e propriedades ópticas do WS como preparado 2 / Bi 2 MoO 6 as amostras foram caracterizadas por XRD, XPS, SEM, TEM (HRTEM) e espectros de refletância difusa de UV-vis (DRS). Os resultados confirmaram a existência de uma excelente interface de nanojunção entre WS em camadas 2 nanoslices e Bi 2 MoO 6 nanoflakes. Sob luz visível (> 420 nm), o WS 2 / Bi 2 MoO 6 compósitos exibem atividade fotocatalítica significativamente melhorada em comparação com Bi 2 puro MoO 6 em direção à decomposição da rodamina B (RhB). Enquanto isso, os experimentos de captura de espécies ativas indicaram que os buracos (h + ) foram as principais espécies ativas durante a reação fotocatalítica. O desempenho fotocatalítico aprimorado pode ser atribuído à coleta de luz eficaz, separação rápida de pares elétron-buraco fotogerados e excelente transporte de portadores de carga do WS 2 / Bi 2 MoO 6 heteroestruturas. Além disso, o WS preparado 2 / Bi 2 MoO 6 os compósitos também apresentam boa estabilidade estrutural e de atividade em experimentos de repetibilidade.
Histórico
A fotocatálise é amplamente considerada como uma das técnicas de remediação ambiental mais promissoras devido ao método de utilização de energia limpa [1, 2]. Geralmente, alguns aceitaram que fotocatalisadores de alta eficiência com ampla lacuna proibida, como TiO 2 e ZnO, só pode utilizar irradiação de luz ultravioleta [3]. Quanto à aplicação prática, a estratégia de fotocatálise será um grande impulso, uma vez que um fotocatalisador pode absorver favoravelmente a abundante energia solar na região visível. Para este propósito, muitas tentativas de sondar o fotocatalisador de luz visível para a utilização de energia solar suficiente, usando o semicondutor de banda estreita [4,5,6]. Apesar do fotocatalisador monofásico poder ser excitado suavemente pela luz visível, ele ainda manifesta baixa eficiência de conversão de energia devido à baixa eficiência de separação de carga resultante da rápida recombinação de elétrons fotoinduzidos e lacunas [7]. É amplamente aceito que a heteroestrutura pode melhorar a probabilidade de separação de carga induzida por luz porque a região de contato interfacial da heterojunção fornecerá um campo elétrico interno para restringir a probabilidade de recombinação, resultando em um desempenho fotocatalítico eficiente. Em geral, a heteroestrutura projetada adotará pelo menos um semicondutor de banda estreita para coletar mais energia de luz visual e, em seguida, gerar mais cargas fotoinduzidas [8, 9].
Como um novo fotocatalisador, Bi 2 MoO 6 tem recebido atenção no campo da fotocatálise dirigida por luz visual porque possui uma estrutura distinta em camadas em sanduíche [10, 11]. Como mencionado anteriormente, o Bi 2 puro MoO 6 não é adequado para a utilização como um fotocatalisador de luz visível eficiente devido à alta probabilidade de recombinação do portador de carga fotogerada. Portanto, algumas estratégias eficazes para enfrentar este desafio usando a arquitetura de nanoestrutura híbrida adequada e especialmente a introdução de nanofolhas bidimensionais (2D) têm se mostrado uma abordagem eficaz para fortalecer a transferência de carga interfacial entre dois componentes no processo de reação fotocatalítica. Obviamente, é antecipado que a heteroestrutura entre Bi 2 MoO 6 e o material em camadas 2D aumentará a eficiência fotocatalítica por irradiação de luz visual [8].
Dichalcogenetos de metais de transição em camadas (TMDs) são amplamente considerados como um tipo de material de carregamento promissor por causa de sua estrutura reticular de grafeno análoga [12, 13]. Especialmente, monocamada e poucas camadas de TMDs têm aplicações importantes para catálise e armazenamento de energia devido às suas propriedades eletrônicas distintas e áreas de superfície específicas elevadas [14, 15]. Por exemplo, MoS monocamada e de poucas camadas 2 recentemente chamaram a atenção da comunidade científica na pesquisa de fotocatálise, que atribui a falta de acoplamento interlayer e a ausência de simetria de inversão resultando em propriedades fotoelétricas que diferem marcadamente daquelas do bulk [14, 16, 17]. Do ponto de vista do material design para um fotocatalisador heterojuncional sensibilizado impulsionado por luz visível eficiente, a principal preocupação é que as lacunas de banda estreita híbrida (1,1-1,7 eV) podem corresponder ao espectro solar [18]. Na verdade, os semicondutores 2D em camadas típicos, como MoS 2 ou g-C 3 N 4 , receberam atenção significativa para explorar aplicações potenciais de fotocatálise, que levam à nanofolha TMD, que é frequentemente utilizada como um suporte para estabelecer fotocatalisadores compostos heteroestruturados por meio de diferentes estratégias de híbridos de banda de energia [19, 20]. Por exemplo, o MoS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 compósitos exibiram um desempenho eficiente para oxidação fotocatalítica de rodamina B sob irradiação de luz visível [21]. No entanto, a arquitetura heteroestruturada de mono ou poucas camadas do WS 2 / Bi 2 MoO 6 como um fotocatalisador de luz visual não foi relatado.
Aqui, demonstramos uma estratégia fácil para fabricar WS heteroestruturado 2 / Bi 2 MoO 6 compósito por meio de um método de crescimento solvotérmico fácil usando WS em camadas pré-esfoliado 2 nanoslices como um apoiador. O WS 2 / Bi 2 MoO 6 exibe excelente atividade fotocatalítica para a degradação da rodamina B (RhB) sob luz visível ( λ > 420 nm) irradiação. De acordo com a análise de caracterização da microestrutura de XRD, XPS, SEM e TEM, o possível mecanismo fotocatalítico do WS de poucas camadas 2 / Bi 2 MoO 6 compósito também foi elucidado. Acredita-se que a formação de junções entre Bi 2 MoO 6 e WS 2 pode permitir a migração imediata da carga fotogerada e reduzir a autoaglomeração. É postulado que a excelente atividade fotocatalítica de WS 2 / Bi 2 MoO 6 deve ser atribuída à sua alta eficiência de migração de portadores fotoinduzidos e à interação eletrônica interfacial. Esses resultados também provavelmente fornecem uma perspectiva valiosa para a compreensão do projeto de outros fotocatalisadores heteroestruturados.
Métodos
Preparação do WS de poucas camadas 2 Nanoslices
A esfoliação líquida do WS comercial em camadas 2 foi realizado seguindo o método de relatório modificado [22]. Resumidamente, 50 mg WS comercial 2 pó (adquirido de Aladdin Industrial Corporation) foi adicionado a 20 mL de etanol / água com frações de volume de EtOH de 40% adicionado como solvente de dispersão. O frasco selado foi sonicado por 10 h, e então a dispersão foi centrifugada a 3000 rpm por 20 min para remover agregações. Finalmente, o sobrenadante foi coletado para obter WS de poucas camadas 2 nanoslices. Para determinar as concentrações de nanofolhas 2D no sobrenadante, estimamos a massa restante no sobrenadante medindo o espectro de absorção de UV-vis no comprimento de onda fixo de 630 nm. O resultado do cálculo em virtude da Lei de Lambert-Beer indicou que o WS esfoliado 2 a concentração da dispersão era de cerca de 0,265 ± 0,02 mg / ml.
Síntese de WS Hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 Compósitos
O WS 2 / Bi 2 MoO 6 as amostras foram sintetizadas usando um método solvotérmico fácil. Normalmente, 2 mmol de Bi (NO 3 ) 3 · 5H 2 O foi adicionado a 10 mL de solução de etilenoglicol contendo Na 2 dissolvido MoO 4 · 2H 2 O com a razão molar Bi / Mo de 2:1 sob agitação magnética. Uma quantidade apropriada de WS esfoliado 2 nanoslices foi disperso em 20 mL de etanol e ultra-sônico em temperatura ambiente por 45 min. Em seguida, foi adicionado lentamente à solução acima, seguido por agitação durante 10 min para formar uma fase homogênea. A solução resultante foi transferida para uma autoclave de aço inoxidável forrada com Teflon de 50 mL e mantida a 160 ° C por 10 h. Posteriormente, a autoclave foi resfriada à temperatura ambiente gradualmente. Finalmente, o precipitado foi centrifugado e lavado com etanol e água desionizada várias vezes e seco em um forno a vácuo a 80 ° C por 6 h. De acordo com este método, WS 2 / Bi 2 MoO 6 compostos com diferentes WS 2 proporções de massa (1, 3, 5 e 7% em peso) foram sintetizadas. Para comparação, o Bi 2 em branco MoO 6 foi preparado na ausência de WS 2 usando as mesmas condições experimentais.
Caracterização de fotocatalisadores
A estrutura e morfologia da amostra foram investigadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM; JEOL JSM-6701F, Japão), microscopia eletrônica de transmissão (TEM; JEOL 2100, Japão), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM; JEOL 2100, Japão), e difração de raios-X em pó (XRD; Bruker D8 Advance usando fonte de radiação Cu-Kα, λ =1,5406 Å, EUA). Os espectros de refletância difusa ultravioleta-visível (DRS) das amostras foram realizados à temperatura ambiente na faixa de 200–800 nm em um espectrofotômetro UV-vis (Cary 500 Scan Spectrophotometer, Varian, EUA) equipado com um acessório de esfera integradora. Os estados eletrônicos dos elementos de superfície dos catalisadores foram identificados usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS; Shimadzu Corporation, Japão, fonte de raios-X Al-Kα).
Medição da atividade fotocatalítica
Em todas as atividades catalíticas dos experimentos, 50 mg das amostras foram adicionadas à solução aquosa de RhB (50 mL, 10 mg / L) magneticamente agitada em um recipiente de vidro Pyrex e, em seguida, irradiada radialmente com uma lâmpada de arco 300 W Xe (PLS-SXE 300 , Beijing Perfect Company, Labsolar-III AG) para fornecer luz visível com λ ≥ 420 nm por um filtro de corte ultravioleta UVCUT-420 nm (CE Aulight. Inc). A distância entre o filtro ultravioleta e a solução aquosa de RhB era de cerca de 6,5 mm. E a densidade de potência da luz visível era 150 mW / cm 2 , que foi estimado pelo medidor de potência óptica (PD130, Thorlabs, EUA). Antes da irradiação, a suspensão foi mantida no escuro sob agitação magnética durante 30 min para assegurar o estabelecimento de um equilíbrio de adsorção / dessorção. Em determinados intervalos de tempo, 2 mL foram coletados da suspensão e imediatamente centrifugados; a concentração de RhB após a iluminação foi monitorada a 553 nm usando espectrofotômetro UV-vis (Shimadzu UV-2550, Shimadzu Corporation, Japão). As concentrações relativas ( C / C 0 ) do RhB foram determinados pela absorbância ( A / A 0 ) a 553 nm. Todos os experimentos foram realizados pelo menos em duplicata. Os valores relatados estavam dentro da faixa de erro experimental de ± 2%. Combinando com a lei de Lambert-Beer, a constante da taxa de degradação fotocatalítica ( k ) de RhB foi obtido usando a seguinte fórmula:
$$ \ ln \ left ({C} _0 / C \ right) \ kern0.5em =\ kern0.5em k t $$
onde C é a concentração de RhB no tempo de reação t , C 0 é a concentração de equilíbrio de adsorção / dessorção de RhB no tempo de reação inicial, e A e A 0 são os valores de absorbância correspondentes.
Além disso, para identificar as espécies ativas geradas durante a reatividade fotocatalítica, vários sequestradores foram adicionados à solução de RhB, incluindo isopropanol 2 mM (IPA, um inibidor de · OH), ácido dissódico etilenodiamina tetraacético (EDTA; um inibidor de h + ) e 2 mM p -benzoquinona (BQ; a · O 2 - scavenger), e 40 mL / min N 2 (um extintor de elétrons). Os ensaios comparativos de degradação fotocatalítica foram realizados nas mesmas condições de reação mencionadas acima.
Resultados e discussão
Análise de microestrutura e morfologia
A fim de confirmar a composição e estrutura cristalina das amostras preparadas, foi realizado um estudo de XRD. Conforme mostrado na Fig. 1, pode-se verificar que o WS puro 2 , cinco picos localizados a 14,4 °, 33,6 °, 39,6 °, 49,8 ° e 58,5 °, foram observados, os quais combinaram bem com (002), (101), (103), (105) e (110) planos de cristal de WS 2 (Cartão JCPDS nº 84-1398). Quanto ao Bi 2 puro MoO 6 , os picos de difração de (131), (200), (151), (260), (331) e (262) planos em 2 θ =28,2 °, 32,5 °, 36,0 °, 47,1 °, 55,4 ° e 58,5 °, que podem ser indexados à fase ortorrômbica de Bi 2 MoO 6 (Cartão JCPDS nº 76-2388). No caso do WS de poucas camadas 2 / Bi 2 MoO 6 materiais compostos, o padrão XRD exibe apenas os picos de difração característicos da fase hexagonal WS 2 e fase ortorrômbica Bi 2 MoO 6 . Além disso, em comparação com os dados padrão para Bi 2 MoO 6 (no. 76-2388), a existência de WS de poucas camadas 2 não alterou as posições dos picos de difração de Bi 2 MoO 6 na amostra composta, indicando Bi 2 MoO 6 nanoflakes cultivados em WS de poucas camadas 2 nanoslices em vez de incorporados ao WS 2 treliça. Não há nenhum vestígio de qualquer fase de impureza sob a presente resolução, o que sugere a alta pureza das amostras conforme preparadas.
Padrões de difração de raios-X de Bi 2 MoO 6 , WS de poucas camadas 2 e WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) composto
As morfologias das amostras sintetizadas foram investigadas usando MEV. Para comparação, imagens SEM do WS bruto em massa 2 sem tratamento sonicado e nanoslices esfoliadas são mostradas na Fig. 2a, b. O primeiro exibe uma morfologia laminada multicamadas distinta com cerca de 20 μm de espessura, enquanto o último exibe uma morfologia tipo folha 2D com espessura variando de dezenas de nanômetros a 1–2 μm. Os resultados demonstram que o WS comercial em camadas 2 foram reduzidos a poucas camadas WS 2 nanoslices. A Figura 2c mostra a imagem SEM de Bi 2 puro MoO 6 . Pode ser visto que o Bi 2 MoO 6 exibiu morfologia de microesferas com superfícies rugosas. Um exame mais atento revela que as microesferas consistem em numerosos Bi 2 secundários MoO 6 nanoplacas. Além disso, quando Bi 2 MoO 6 foi depositado no WS de poucas camadas 2D 2 por meio de um processo solvotérmico fácil (Fig. 2d), pode ser visto claramente que as superfícies de WS 2 nanoslices foram uniformemente cobertos por numerosos Bi 2 bidimensionais MoO 6 nanoplacas (Fig. 2d) e que formaram um WS 2 / Bi 2 MoO 6 estrutura hierárquica.
Imagens SEM do WS bruto em massa 2 ( a ), WS esfoliado 2 nanoslices ( b ), Bi puro 2 MoO 6 ( c ), e WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) composto ( d )
Mais informações sobre a nanoestrutura do WS de poucas camadas 2 / Bi 2 MoO 6 os compósitos foram obtidos a partir de imagens TEM (HRTEM). É fácil observar na Fig. 3a que WS 2 (setas roxas) mostra uma estrutura nano folha clara que é semelhante à do grafeno, provando que o dissulfeto de tungstênio semelhante ao grafeno é obtido. Enquanto isso, Bi 2 MoO 6 nanoplacas com diâmetros de cerca de 50-100 nm foram observadas para crescer no WS 2 nanofolhas. Imagens HRTEM (Fig. 3b, c) tiradas da Fig. 3a exibem claramente as franjas de rede resolvidas de 0,274 e 0,227 nm, que corresponde aos (200) planos da fase ortorrômbica de Bi 2 MoO 6 e os (103) planos de WS 2 , respectivamente. Portanto, os resultados experimentais indicaram que uma interface de heterojunção coerente e compacta entre WS de poucas camadas 2 e Bi 2 MoO 6 foi formado, o que pode se beneficiar de uma melhor separação de carga e transferência eficiente de elétrons dentro da estrutura híbrida em comparação com Bi 2 puro MoO 6 .
TEM ( a ) e HRTEM ( b , c ) imagens de WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) composto
Estrutura Eletrônica e Análise de Espectro
A composição elementar e os estados de oxidação da pequena camada WS 2 / Bi 2 MoO 6 os compósitos foram posteriormente determinados por espectros de XPS. A Figura 4a mostra os espectros de levantamento XPS do WS de poucas camadas 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) amostra, que exibe picos W, S, O, Bi, Mo e C. Não são observados picos correspondentes a outros elementos. O pico de Bi 4f no Bi 2 MoO 6 (Fig. 4b) que apareceu em 164,4 e 159,2 eV pertencia a Bi 4f 5/2 e Bi 4f 7/2 de Bi 3+ íons [23]. A energia de ligação do Mo 3d (Fig. 4c) de 235,6 e 232,5 eV é consistente com o Mo 3d 3/2 e Mo 3d 5/2 de Mo 4+ íons [23]. Os picos assimétricos de O 1 s (Fig. 4d) estão localizados em 530,0 eV, que são característicos do Mo-O [24]. No entanto, as energias de ligação de Bi 4f, Mo 3d e O 1 s nos espectros XPS (Fig. 4b-d) do WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 muda ligeiramente (cerca de 0,2 eV) para energias de ligação mais baixas em comparação com o Bi 2 puro MoO 6 . Enquanto isso, no WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 composto, os valores de W 4f 5/2 (34,2 eV) e W 4f 7/2 (32,0 eV) picos (Fig. 4e) correspondentes a WS 2 são ligeiramente inferiores (cerca de 0,2 eV) do que o WS puro 2 (34,4 e 32,2 eV). Da mesma forma, o espectro S 2p de alta resolução (Fig. 4f) também muda ligeiramente em direção a energias de ligação mais baixas de 0,3 eV. Esses resultados podem ser atribuídos à forte interação entre os WS 2 e Bi 2 MoO 6 resultando em um deslocamento interno das órbitas Bi 4f, Mo 3d, O 1 s W 4f e S 2p [21, 25]. Portanto, ao combinar as investigações de XRD, SEM, TEM e XPS, revelou que há ambos WS 2 e Bi 2 MoO 6 espécies no WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 composto e que as heterojunções são formadas em sua interface de contato.
Pesquise os espectros XPS do WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto ( a ) e os espectros XPS de alta resolução de Bi 4f ( b ), Mo 3d ( c ), O 1 s ( d ), W 4f ( e ), e S 2p ( f ) de Bi 2 MoO 6 , WS 2 , e o WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto (5% em peso)
A Figura 5a mostra uma comparação dos espectros de refletância difusa de UV-vis (UV-Vis-DRS) do WS 2 , Bi 2 MoO 6 e WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 composto com diferentes WS 2 conteúdo. Pode ser visto claramente que o espectro de absorção do Bi 2 puro MoO 6 estende-se da região UV à luz visível em cerca de 450 nm. Quando WS 2 combinado com Bi 2 MoO 6 , o espectro de absorção do composto hierárquico exibe um desvio para o vermelho obviamente e uma absorção mais intensa dentro da faixa de luz visível em comparação com Bi 2 puro MoO 6 . Enquanto isso, quando o conteúdo do WS 2 aumentado para um valor relativamente alto (3 a 7% em peso), o composto hierárquico exibe uma absorção surpreendentemente forte em torno de 450-800 nm. Esses resultados indicam claramente que o fotocatalisador composto pode absorver mais fótons durante a reação fotocatalítica. Portanto, pode ser revelado que a adição de WS 2 nanoslices é benéfico para a absorção de luz visível do WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto.
a Espectros de refletância difusa de UV-vis (UV-Vis-DRS) das amostras preparadas. b Gráfico das funções Kubelka – Munk transformadas vs. a energia da luz
Além disso, as energias do gap óptico ( E g ) de amostras foram calculados pela seguinte equação [26]:
$$ \ alpha h v =A {\ left (hv- {E} _g \ right)} ^ {n / 2} $$
onde α , hv , A , e E g são o coeficiente de absorção, a energia do fóton, a constante de proporcionalidade e o bandgap, respectivamente. O valor de n é determinado pelo tipo de transição (direta ( n =1) ou indireto ( n =4)) [27, 28]. Um enredo de ( ahv ) 2 versus ( hv ) é convertido de acordo com o UV-Vis-DRS. Conforme mostrado na Fig. 5b, o E g valores de WS puro 2 e Bi 2 MoO 6 foram estimados em 1,47 e 2,72 eV, respectivamente.
Atividade fotocatalítica
As atividades fotocatalíticas das amostras preparadas foram medidas pela degradação da rodamina B (RhB) sob irradiação de luz visível. Para comparação, atividades fotocatalíticas de Bi 2 puro MoO 6 e amostras mecanicamente misturadas (5% WS 2 e 95% Bi 2 MoO 6 ) também foram investigados. Como mostrado na Fig. 6a, o efeito de autodegradação de RhB sob irradiação de luz visível pode ser ignorado. Pode ser visto claramente que a taxa de fotodegradação de RhB pelo Bi 2 puro MoO 6 foi de apenas ~ 39% após 100 min de irradiação com luz visível. Obviamente, todos os WS hierárquicos 2 / Bi 2 MoO 6 os compostos mostram melhor desempenho fotocatalítico do que o Bi 2 puro MoO 6 . ~ 48, ~ 74, ~ 95 e ~ 88% de RhB foram degradados usando 1% WS 2 / Bi 2 MoO 6 , 3% WS 2 / Bi 2 MoO 6 , 5% WS 2 / Bi 2 MoO 6 e 7% WS 2 / Bi 2 MoO 6 , respectivamente. Os resultados indicam que o WS ideal 2 conteúdo no WS 2 / Bi 2 MoO 6 o composto existe quando a proporção de massa é de 5%. Enquanto isso, foi notado que o WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) composto exibe atividade fotocatalítica notavelmente superior do que o WS 5% misturado mecanicamente 2 e 95% Bi 2 MoO 6 . Isso sugere fortemente que um contato de interface de nanojunção eficaz e fortes interações entre WS 2 e Bi 2 MoO 6 são extremamente úteis para melhorar os processos de migração, transporte e separação de portadores fotogerados. Além disso, tais desempenhos fotocatalíticos superiores podem ser atribuídos à boa cristalização e alta área de superfície específica dos compósitos e à pequena espessura da folha do WS 2 substrato.
A atividade fotocatalítica ( a ) e ajuste cinético ( b ) dos diferentes fotocatalisadores para degradação de RhB
Além disso, o modelo cinético de pseudo-primeira ordem foi usado para ajustar os dados experimentais da degradação fotocatalítica da solução RhB, e os resultados são apresentados na Fig. 6b. A constante de taxa k é 0,0280 min −1 para o WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) compósitos, que é 3,8 e 7,1 vezes maior do que aqueles de WS 2 mecanicamente misturados e Bi 2 MoO 6 e Bi puro 2 MoO 6 , respectivamente. Esses resultados indicaram que RhB poderia ser degradado de forma mais eficiente pelo WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 fotocatalisador composto.
A Figura 7 mostra as mudanças de espectro de adsorção UV-vis da degradação da solução RhB ao longo do WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) fotocatalisador composto, que foi realizado para estudar mais profundamente o processo de degradação fotocatalítica de RhB. Pode ser visto que o pico de absorção principal de RhB gradualmente mudou de 552 para 537 nm, correspondendo à formação gradual de uma série de N intermediários -desetilados. Conforme o processo de irradiação de luz visível continua, o pico localizado a 537 nm continua a se deslocar e diminuir, o que indica que as moléculas de RhB foram posteriormente decompostas em fragmentos moleculares menores e a estrutura de RhB também foi destruída no final. Os processos de transição de duas etapas para fotodegradação de RhB também foram relatados em vários estudos anteriores [29, 30]. Enquanto isso, a suspensão perde a cor gradualmente no experimento, o que indica ainda que a estrutura do RhB foi destruída no final.
Os espectros de adsorção ótica mudam de degradação da solução RhB ao longo do WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto (5% em peso)
Estabilidade do catalisador
A estabilidade fotocatalítica do WS hierárquico 2 / Bi 2 MoO 6 compósitos foi investigado por experimentos de repetibilidade para degradação de RhB, como mostrado na Fig. 8a. Pode-se verificar que a atividade fotocatalítica de WS 2 / Bi 2 MoO 6 permanece estável nos primeiros experimentos de dois ciclos. Após quatro reciclagens, os catalisadores não mostraram uma diminuição óbvia na atividade fotocatalítica, demonstrando que WS 2 / Bi 2 MoO 6 O compósito reteve uma atividade de degradação relativamente alta durante o processo de fotodegradação. Além disso, as amostras de catalisador coletadas após quatro ciclos foram caracterizadas por medição de XRD (Fig. 8b). Pode ser visto que a estrutura cristalina e composição de fase de WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto não muda após quatro reações fotocatalíticas. Assim, a boa estabilidade estrutural garante o WS 2 / Bi 2 MoO 6 fotocatalisadores compostos eficientes trabalhando sob irradiação de luz visível.
a Ciclismo corre para degradação de RhB sobre o WS 2 / Bi 2 MoO 6 compósito (5% em peso) sob irradiação de luz visível. b Padrões de XRD do WS 2 / Bi 2 MoO 6 amostra antes e depois de experimentos de quatro ciclos
Possível mecanismo fotocatalítico
A Figura 9 mostra o experimento de captura das principais espécies ativas no processo fotocatalítico do WS 2 / Bi 2 MoO 6 composto. Isopropanol (IPA), 1,4-benzoquinona (BQ) e ácido dissódico etilenodiamina tetraacético (EDTA) atuaram como sequestradores de · OH, · O 2 - e h + , respectivamente. Pode-se observar que a adição de 2 mM de IPA ou BQ na solução RhB teve um pequeno efeito na constante de velocidade k aplicativo , sugerindo que · OH e · O 2 - são as espécies ativas secundárias durante a reação fotocatalítica, não as principais espécies ativas durante a reação fotocatalítica. Pelo contrário, o k aplicativo para degradação de RhB obviamente diminuiu após a adição de EDTA 2 mM. Portanto, pode ser confirmado que h + desempenham um papel fundamental para a degradação de RhB. Além disso, N 2 foi borbulhado na solução RhB a uma taxa de 40 mL / min para garantir que a reação foi operada sem O 2 como um extintor de elétrons. A degradação de RhB mostrou uma ligeira diminuição em comparação com o caso da solução equilibrada com ar e indicou ainda que · O 2 - desempenhou um papel menor.
Constante de taxa k aplicativo do WS 2 / Bi 2 MoO 6 (5% em peso) composto para a degradação de RhB na presença de diferentes necrófagos sob irradiação de luz visível
Para explicar o desempenho fotocatalítico aprimorado, banda de condução (CB) e banda de valência (VB) de WS 2 e Bi 2 MoO 6 potenciais devem ser calculados. Para um semicondutor, o CB inferior e o VB superior podem ser estimados pela fórmula empírica [31]: E CB = X - E 0 - 0,5 E g e E VB = E CB + E g , onde E CB ( E VB ) é o potencial de borda CB (VB); X é a eletronegatividade do semicondutor; E 0 é a energia dos elétrons livres da escala de hidrogênio (~ 4,5 eV vs NHE); e E g is the band gap energy of the semiconductor obtained from the UV-visible diffuse reflectance absorption. The X values for WS2 and Bi2 MoO6 are calculated to be 5.66 and 5.55 eV, respectively [28, 32, 33]. Thus, E C B and E VB values of WS2 are determined to be +0.43 and +1.9 eV and Bi2 MoO6 are −0.31 and +2.41 eV, respectively.
On the basis of the above results, a possible photocatalytic mechanism scheme of the WS2 /Bi2 MoO6 composite photocatalyst is shown in Fig. 10. It can be found that WS2 and Bi2 MoO6 are excited under visible-light irradiation and generate electrons and holes in their CB and VB, respectively. The electrons on CB of Bi2 MoO6 will easily transfer WS2 due to the CB potential of Bi2 MoO6 (−0.31 eV) is more negative than the CB potential of WS2 (0.43 eV) [29, 30]. The few-layer WS2 nanoslices could act as effective electron collectors, which was favorable to the separation of electron–hole pairs in Bi2 MoO6 . Therefore, this fast electron and hole transfer process can decrease the recombination of charges and prolong the lifetime of holes on VB of Bi2 MoO6 [34]. The CB potential of WS2 (+0.43 eV) is more positive than E0 (O2 /·O2 - ) (−0.046 eV) which suggests that the ·O2 - radicals were not formed through electrons reducing the dissolved O2 [35]. However, a few electrons on the CB of Bi2 MoO6 can react with dissolved O2 to yield ·O2 - radicals because its potential (−0.31 eV) is more negative than E0 (O2 /·O2 - ) Thus, the ·O2 - active species played a minor role. Meanwhile, the photo-induced holes on VB of Bi2 MoO6 could not also directly oxidize the adsorbed H2 O molecules to ·OH radicals because its potential (+2.41 eV) was lower than E0 (·OH/H2 O) (+2.68 V) [36]. Finally, the main active species holes and minor active species ·O2 - act as a strong oxidizing agent to oxidize the organic pollutants (RhB) to CO2 e H 2 O. Therefore, the hierarchical WS2 /Bi2 MoO6 composites exhibit improved photocatalytic activity.
The proposed photocatalytic mechanism scheme of WS2 /Bi2 MoO6 composite under visible light (>420 nm)
Conclusões
In summary, a novel WS2 /Bi2 MoO6 heterostructured photocatalysts were successfully fabricated via a facile solvothermal growth method using pre-exfoliated layered WS2 nanoslices as a substrate. The hierarchical WS2 /Bi2 MoO6 exhibits excellent photocatalytic activity towards the degradation of rhodamine B (RhB) under visible-light irradiation. Based on the results of a series of structure and performance tests, it is believed that there formed a tight nanojunction interface between layered WS2 nanoslices and Bi2 MoO6 nanoflakes, which make the photo-induced electrons be easily transferred to the WS2 substrate. As a result, the recombination of charges was decreased and the lifetime of holes was prolonged. Therefore, the hierarchical WS2 /Bi2 MoO6 composites exhibit much higher visible-light-driven photocatalytic activity than the pure Bi2 MoO6 . Furthermore, the WS2 /Bi2 MoO6 composites are very stable under visible-light irradiation and cycling photocatalytic tests. Thus, the as-prepared WS2 /Bi2 MoO6 photocatalyst has potential application for pollutant abatement.
Fonte de fóton único brilhante a 1,3 μm com base no ponto quântico InAs Bilayer no micropilar
Composto mecânico de LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 / nanotubos de carbono com desempenho eletroquímico aprimorado para baterias de íon-lítio
Nanomateriais
- Síntese fácil e propriedades ópticas de pequenos nanocristais de selênio e nanorods
- Síntese fácil de nanopartículas de SiO2 @ C ancoradas em MWNT como materiais de ânodo de alto desempenho para baterias de íon-lítio
- Síntese fácil de compósito CuSCN colorido e condutor revestido com nanopartículas de CuS
- Síntese fácil de nanofios de prata com diferentes proporções de aspecto e usados como eletrodos transparentes flexíveis de alto desempenho
- Síntese fácil de óxido de estanho mesoporoso semelhante a buraco de minhoca via auto-montagem induzida por evaporação e propriedades aprimoradas de detecção de gás
- Síntese de um vaso de nanoplacas Cu2ZnSnSe4 e sua atividade fotocatalítica orientada por luz visível
- Síntese fácil e ecológica de nanofios de Co3O4 e sua aplicação promissora com grafeno em baterias de íon-lítio
- Síntese sonoquímica fácil de uma etapa e propriedades fotocatalíticas de compostos de pontos quânticos de grafeno / Ag3PO4
- Síntese fácil de nanocompósitos magnéticos funcionalizados por superfície para adsorção efetivamente seletiva de corantes catiônicos
- Detector de UV com alimentação própria de alto desempenho baseado em matrizes de nanomace SnO2-TiO2