Rota de eletrofiação em uma etapa de nanofibras de Rutilo TiO2 modificadas com SrTiO3 e suas propriedades fotocatalíticas
Resumo
O SrTiO 3 rutilo TiO modificado 2 nanofibras compostas foram sintetizadas por uma técnica simples de eletrofiação. O resultado de XRD, SEM e TEM indicam que o SrTiO 3 / TiO 2 a heterojução foi preparada com sucesso. Comparado com o TiO 2 e SrTiO 3 , a atividade fotocatalítica do SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) para a degradação de laranja de metila exibe um aumento óbvio sob iluminação UV. que é quase 2 vezes maior que o TiO básico 2 (rutilo) nanofibra. Além disso, a alta cristalinidade e a separação de portadores gerados por fótons do SrTiO 3 / TiO 2 heterojução é considerada a principal razão para este aumento.
Histórico
Como um semicondutor prototípico com propriedade fotoelétrica alta e favorável ao meio ambiente, o óxido de titânio (TiO 2 ) é amplamente utilizado em ótica, células solares, sensores etc. [1,2,3,4], e também considerado como um fotocatalisador mais promissor no tratamento de águas residuais [5], devido ao seu baixo custo, alta estabilidade físico-química e não toxicidade. Conforme relatado na literatura anterior, embora o anatase TiO 2 exibem melhor fotocatálise do que o Rutile TiO 2 , mas o gap de anatase TiO 2 (3,2 eV) é mais largo do que o rutilo TiO 2 (3,0 eV), o que pode restringir a taxa de utilização da energia luminosa na aplicação fotocatalítica. Além disso, compare com o anatase metaestável TiO 2 , o rutilo TiO 2 exibem estabilidade físico-química mais elevada, o que é benéfico para a utilização cíclica no tratamento da poluição. Com essas vantagens exclusivas, como melhorar a eficiência fotocatalítica do rutilo TiO 2 seria um problema significativo. Como se sabe, a fotocatálise depende principalmente da área de superfície específica ou mobilidade e tempo de vida dos portadores gerados por fótons, então muitos trabalhos foram relatados. Para a área de superfície específica, lotes de morfologia excelente foram preparados, tais como nanofolhas [6], nanobelts [7], nanobastões [8], nanofibras [9] e microflores [10], todos eles mostram resultados inspiradores [11 , 12,13,14]. Por outro lado, o metal nobre de superfície modificado ou preparação de heteroestrutura são considerados formas úteis de ajustar a estrutura de bandas para melhorar a mobilidade e vida útil dos portadores gerados por fótons. Porém, em comparação com o alto custo do metal nobre modificado, a heteroestrutura é considerada uma forma eficiente de baixo custo. Muitas pesquisas relevantes foram relatadas, como ZnO / TiO 2 [15,16,17], CdS / ZnO [18,19,20], CeO 2 / grafeno etc [21]. Entre esses semicondutores, o titanato de estrôncio (SrTiO 3 ) chamou a atenção dos pesquisadores devido à estabilidade térmica e resistência à fotocorrosão [22], e foi amplamente aplicada em H 2 geração [23], remoção de NO [24], divisão de água [25] e decomposição fotocatalisador do corante [26,27,28]. Em particular, como fotocatalisador composto de heteroestruturas atraiu mais atenção, como, Core-shell SrTiO 3 / TiO 2 e heteroestruturas SrTiO 3 / TiO 2 apresentou atividade fotocatalítica muito maior do que o TiO puro 2 , que é atribuído a heteroestruturas que promovem a separação de portadores fotogerados [29, 30] . Portanto, o SrTiO 3 é considerado um bom candidato para acoplamento com a fase anatase de TiO 2 para ajustar a estrutura da banda para aumentar sua atividade fotocatalítica . No entanto, existem relatos raros sobre o SrTiO 3 -rutilo TiO modificado 2 compósitos nanofibras para a degradação de corantes poluentes devido ao processo complicado, então como simplificar a preparação de SrTiO 3 / TiO 2 a nano-heterojunção seria uma questão importante para sua aplicação prática. Como se sabe, a eletrofiação é um método conveniente e eficiente para preparar nanomateriais, que poderiam facilmente preparar o precursor em nanofibras na pré-fusão e, em seguida, formar uma série de nanoestruturas no recozimento subsequente, o que foi relatado em literatura de lotes [31,32,33 , 34,35,36].
No presente estudo, relatamos uma síntese simples de uma etapa de SrTiO 3 rutilo TiO modificado 2 nano-heterojunção com alta fotocatálise via eletrofiação. Em seguida, o mecanismo de aumento fotocatalítico da heterojução foi estudado.
Métodos
Materiais
Ácido acético de grau analítico, N, N-Dimetilformamida (DMF, Aladdin, 99,5%), Tetra butil titanato (TBT, Aladdin, 99,0%), Acetato de estrôncio (Aladdin, 99,97%), Polivinilpirrolidona (PVP, M W =1.300.000) foram obtidos da Shanghai Macklin Biochemical Co. Ltd.
Preparação de SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) Nanofibra composta
SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas foram sintetizadas por eletrofiação direta com métodos de calcinação subsequentes são mostrados na Fig. 1. Em primeiro lugar, a solução precursora foi preparada dissolvendo 2,2 g de PVP em 8 mL de DMF e 2 mL de ácido acético. Após agitação durante 8 h, 2 g de TBT foram adicionados à solução precursora durante 4 h com um agitador magnético. Além disso, uma certa quantidade de acetato de estrôncio foi lentamente adicionada à mistura acima e agitada até a solução ficar transparente. Os sol-géis preparados foram carregados em seringa de vidro, equipada com uma agulha de aço inoxidável de 0,5 mm de diâmetro e fixados em bomba de seringa (0,6 ml / h, KDS-200, KD Scientific, Estados Unidos). Esta agulha é conectada ao eletrodo positivo de 15 kV (Modelo:ES40P-10 W, Gamma HighVoltage, Estados Unidos). Foi mantida uma distância de 15 cm entre a ponta da agulha e o coletor de folha de alumínio aterrado. Durante o processo de eletrofiação, a umidade foi mantida em <40% e a temperatura ambiente em 20 ° C. Conseqüentemente, teias de nanofibras não tecidas foram obtidas no coletor e deixadas em um forno a 80 ° C secando 6 h. As nanofibras eletrofiadas foram calcinadas no ar a 700 ° C (5 ° C / min de aquecimento) por 1 h para obter a ração diferente de SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nano-heterojução. Além do mais, um TiO simples 2 (rutilo) nanofibras e SrTiO 3 nanofibras foram preparadas para o contraste. A ração diferente de SrTiO 3 em SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nano-heterojução foi de 1% em peso, 3% em peso, 5% em peso e 10% em peso, e marcada como ST-1, ST-3, ST-5, ST-10, respectivamente.
Diagrama esquemático do processo de preparação do fotocatalisador
Caracterização
A morfologia da superfície das amostras preparadas foi investigada pelo microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM, Hitachi S-4800) equipado com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS), e a microestrutura das amostras preparadas foi observado por um microscópio eletrônico de transmissão (TEM, JEM-2100, 200 kV); As estruturas de cristal das amostras preparadas foram caracterizadas por Bruker / D8-advance com radiação Cu Kα (λ =1,518 Å) na taxa de varredura de 0,2 seg / etapa na faixa de 10-80 °. O espectro de absorção das amostras preparadas foi registrado usando um espectrofotômetro UV-visível (U-3900Hitachi).
Medição da atividade fotocatalítica
Uma solução de 50 mL de laranja de metila (MO) com concentração inicial de 15 mg / L na presença de amostra (30 mg) foi colocada em um reator de quartzo. A fonte de luz foi fornecida por uma lâmpada UV-C de mercúrio (Philips Holland, 25 W). Antes da irradiação, a solução foi mantida continuamente no escuro por 30 min para atingir um equilíbrio de adsorção-dessorção entre os substratos orgânicos e os fotocatalisadores. Em determinados intervalos (t =10 min) de irradiação, as amostras da solução de reação foram retiradas e analisadas. As concentrações do corante remanescente foram medidas com espectrofotômetro a λ =464 nm.
Resultados e discussão
A Figura 2 exibiu os padrões de XRD de rutilo TiO 2 , SrTiO 3 e a concentração diferente de SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nano-heterojução. É óbvio que os picos de difração em 2Ɵ =27,5, 36,1, 41,3 e 54,4 ° podem ser indexados aos (110), (101), (111), (211) planos de cristal de rutilo TiO 2 (JCPDS78-1510). Os picos em 32,4, 40,0, 46,5 e 57,8 ° são atribuídos aos planos de cristal (110), (111), (200) e (211) de SrTiO cúbico 3 (JCPDS 84–0443). O resultado indica que o SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas com maior cristalinidade são preparadas com sucesso sob sinterização de 700 ° C (Fig. 2), o que pode ser benéfico para promover o transporte de portadores gerados por fótons para aumentar a fotocatálise.
Padrões de XRD do TiO nu 2 (Rutile), nua SrTiO 3 , ST-10, ST-5, ST-3 e ST-1
A morfologia da superfície do ST-3 as-fiado medida por FESEM foi mostrada na Fig. 3 (a) - (d). A nanofibra composta preliminar ST-3 não sinterizada foi ilustrada na Fig. 3 (a). Conforme mostrado, a superfície das nanofibras obtidas com diâmetro de aproximadamente 300 nm é lisa e contínua. Uma vez que o TBT pode ser rapidamente hidrolisado pela umidade do ar, redes contínuas de TiO 2 sóis foram formados nas nanofibras, uma vez que foram ejetados da ponta da agulha [37]. Conforme apresentado na Fig. 3 (b), após sinterização a 700 ° C, o diâmetro das nanofibras diminuiu para cerca de 200 nm e as fibras ainda são contínuas. É interessante que após a sinterização da fibra, as nanofibras tornaram-se delgadas e ásperas, o que poderia gerar uma área de superfície muito mais específica para aumentar a fotocatálise.
Imagem FESEM de ST-3. a conforme preparado ST-3, inserção :SEM de alta ampliação (não sinterizado), ( b ) - ( d ) ST-3 (sinterizado)
As imagens TEM forneceram informações adicionais sobre a estrutura cristalina das nanofibras de compósito ST-3. A Figura 4a mostra uma imagem TEM típica para ST-3, que corresponde ao SEM. HRTEM foi empregado para iluminar ainda mais as estruturas cristalinas de nanofibras de compósito rutilo ST-3. Como mostrado na Fig. 4b, a imagem HRTEM de alta ampliação revela claramente indica duas redes distintas de 0,324 nm e 0,275 nm, respectivamente, que correspondem ao plano (110) do rutilo TiO 2 e o plano (110) de SrTiO 3 . Este resultado também indica que a nano-heterojunção foi formada no SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas (Fig. 4b), que seriam benéficas para separar pares de elétrons-buracos fotogerados.
Imagem TEM e espectro EDS de ST-3. a Imagem TEM de ST-3, ( b ) HRTEM da área delineada do rutilo TiO 2 e SrTiO 3, ( c ) SAED de ST-3, ( d ) EDS de ST-3
A área selecionada de difração de elétrons (SAED), conforme mostrado na Fig. 4c, o que indica que a nano-heterojução possui uma alta cristalinidade. O FESEM EDX na Fig. 4d ainda confirma que as heteroarquiteturas ST-3 contêm os elementos Ti, Sr, O e correspondem ao XRD.
MO foi usado como um poluente de corante modelo para pesquisar a atividade fotocatalítica de TiO nu 2 (rutilo), nua SrTiO 3 e diferente SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanocompósitos, e os resultados foram mostrados na Fig. 5. Após 40 min de irradiação, o rutilo ST-1, ST-3, ST-5, ST-10, TiO nu 2 (rutilo) e SrTiO nua 3 as nanofibras degradaram ca. 62%, 93%, 79%, 43%, 47% e 44% do corante MO inicial, respectivamente (Fig. 5b). É interessante que, com a concentração crescente de SrTiO 3 , a atividade fotocatalítica de SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas exibem um obviamente realce, o que indica que a presença da heteroestrutura no fotocatalisador composto é benéfica para a fotocatálise. Além do mais, como mostra a Fig. 5b, quando há excesso de SrTiO 3 , os compósitos podem exibir uma atividade fotocatalítica decrescente, que pode ser atribuída a que a fotocatálise do SrTiO 3 é muito mais fraco que o TiO 2 , SrTiO 3 tão adequado poderia formar a heterojução para melhorar a fotocatálise de forma eficiente, mas o excesso de SrTiO 3 pode levar a uma diminuição óbvia.
Levantamento da atividade fotocatalítica de diferentes amostras. a Espectro de absorção de ST-3 na fotocatálise, ( b ) Curvas de degradação fotocatalítica com diferentes produtos, ( c ) Reciclagem do ST-3, ( d ) Os espectros de UV-Vis de diferentes produtos
A fim de ser conveniente para o uso fotocatalítico de longo prazo no tratamento de efluentes de corante, a estabilidade do ciclo é um dos fatores mais importantes e foi mostrado na Fig. 5c. Como mostrado na Fig. 5c, após 5 ciclos, há perda desprezível de fotodegradação de MO, que poderia ser atribuída à perda de fotocatalisador no processo centrífugo e ilustrar ainda que os fotocatalisadores compósitos ST-3 possuem alta estabilidade e ciclicidade.
Como excelente fotocatálise, o possível mecanismo para a atividade fotocatalítica aprimorada do SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas é muito importante para sua posterior modificação. Como mostrado na Fig. 5d, a absorção das diferentes amostras muda pouco, isso significa que a atividade fotocatalítica é independente com a absorção, o que poderia ser atribuído à nano-heterojução única. O possível mecanismo é representado da seguinte forma:Quando a luz UV irradia na superfície das nanofibras compostas, ambos SrTiO 3 e o rutilo TiO 2 pode gerar buracos (h + ) e elétrons (e - ) conforme mostrado em (1). Em seguida, os elétrons gerados são imigrados da banda de valência (VB) de SrTiO 3 para bandas de condução (CB) de SrTiO 3 , e posteriormente transplantado para a banda de condução (CB) do rutilo TiO 2. Por outro lado, os buracos são transferidos para VB de SrTiO 3 de rutile TiO 2 , o que poderia promover a separação de carga de forma eficiente para aumentar a vida útil dos portadores de carga e aumentar a eficiência da carga interfacial transferida para aumentar a atividade fotocatalítica do SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) heteroestrutura (Fig. 6).
Um mecanismo proposto para a degradação fotocatalítica de MO pelo SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo)
Enquanto isso, uma provável fórmula de oxidação fotocatalítica de laranja de metila foi fornecida como segue:
$$ \ mathrm {SrTi} {\ mathrm {O}} _ 3 / \ mathrm {T} \ mathrm {i} {\ mathrm {O}} _ 2 \ left (\ mathrm {rutile} \ right) + \ mathrm {h } \ upnu \ to \ \ mathrm {SrTi} {\ mathrm {O}} _ 3 / \ mathrm {T} \ mathrm {i} {\ mathrm {O}} _ 2 \ left (\ mathrm {rutile} \ right) + {\ mathrm {h}} ^ {+} + {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} $$ (1) $$ {\ mathrm {h}} ^ {+} + \ mathrm {O } {\ mathrm {H}} ^ {\ hbox {-}} \ to \ cdot p \ mathrm {O} \ mathrm {H} $$ (2) $$ {\ mathrm {h}} ^ {+} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ \ to \ cdot p \ mathrm {O} \ mathrm {H} + {\ mathrm {H}} ^ {+} $$ (3) $$ {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} \ to \ cdot p {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {\ hbox {-}} $$ (4) $$ \ cdotp {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {\ hbox {-}} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to \ cdotp \ mathrm {O} \ mathrm {O} \ mathrm {H} + \ mathrm {O} {\ mathrm {H}} ^ {\ hbox {-}} $$ (5) $$ \ cdotp \ mathrm {O} \ mathrm {O} \ mathrm {H} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} \ to {\ mathrm {H}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 2 + \ mathrm {O} {\ mathrm {H}} ^ {\ hbox {-}} $$ (6) $$ {\ mathrm {H}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} \ to \ cdotp \ mathrm {O} \ mathrm {H} + \ mathrm {O} {\ mathrm {H}} ^ {\ hbox { -}} $$ (7) $$ \ cdotp \ mathrm {O} \ mathrm {H} + \ mathrm {M} \ mathrm {O} \ to \ mathrm {C} {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + \ mathrm {Outros} $$ (8) $$ \ cdotp {{\ mathrm {O}} _ 2} ^ {\ hbox {-}} + \ mathrm {M} \ mathrm {O} \ to \ mathrm {C} {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + \ mathrm {Outros} $$ (9) $$ \ cdotp \ mathrm {O} \ mathrm {O} \ mathrm {H} + \ mathrm {M} \ mathrm {O} \ to \ mathrm {C} {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm { O} + \ mathrm {Outros} $$ (10)
Portanto, o SrTiO 3 / TiO 2 (rutilo) nanofibras compostas podem ser consideradas como um fotocatalisador econômico e contínuo em aplicações futuras.
Conclusões
Em resumo, preparamos o SrTiO 3 / TiO 2 nanofibras compostas (rutilo) por meio de uma rota simples de eletrofiação e exibiram sua excelente capacidade de degradar a laranja de metila, o que pode ser atribuído principalmente à notável heterojução e à alta cristalinidade. Além do mais, a nova estrutura 3D pode aumentar a área de superfície específica de forma eficiente, o que também é uma razão importante para a fotocatálise. Assim, um excelente fotocatalisador poderia proporcionar uma nova visão para o projeto do futuro catalisador.
Biocompatibilidade de nanocarreadores de lipossomas na orelha interna de rato após administração intratimpânica
Características interfaciais, elétricas e de alinhamento de banda de pilhas de HfO2 / Ge com camada intermediária de SiO2 formada in situ por deposição de camada atômica aprimorada com plasma
Nanomateriais
- As 10 principais propriedades do alumínio e suas aplicações
- Propriedades do alumínio e características da liga
- Preparação e propriedades magnéticas de nanopartículas de espinélio FeMn2O4 dopadas com cobalto
- Em direção aos nanofluidos de TiO2 - Parte 1:Preparação e propriedades
- Composto Híbrido de Sílica Nanoestruturada / Ouro-Celulose Ligado Amino-POSS via Processo Sol-Gel e Suas Propriedades
- Rumo aos nanofluidos de TiO2 - Parte 2:Aplicações e desafios
- Propriedades ópticas estruturais e de infravermelho próximo visível de TiO2 dopado com Cr para pigmentos frios coloridos
- Síntese sonoquímica fácil de uma etapa e propriedades fotocatalíticas de compostos de pontos quânticos de grafeno / Ag3PO4
- Efeito do agente de peptização ácida na relação anatase-rutilo e desempenho fotocatalítico de nanopartículas de TiO2
- Fabricação e propriedade fotocatalítica de novos nanocompósitos SrTiO3 / Bi5O7I