Fabricação e propriedade fotocatalítica de novos nanocompósitos SrTiO3 / Bi5O7I

Resumo

O romance SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I foram fabricados com sucesso por uma abordagem de decomposição térmica. As amostras preparadas foram caracterizadas por espectros de XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS e PL. Os resultados mostram que o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I são compostos por perovskita SrTiO ₃ nanopartículas e Bi tetragonal ₅ O ₇ I nanorods. O SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I exibem um excelente desempenho fotocatalítico para a degradação da solução RhB sob irradiação de luz solar simulada, que é superior ao do Bi ₅ puro O ₇ Eu e SrTiO ₃ . Em particular, 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ O nanocompósito I é encontrado como o composto ideal, sobre o qual a degradação do corante atinge 89,6% por 150 min de fotocatálise. A taxa de degradação fotocatalítica de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Descobriu-se que o nanocompósito I é 3,97 vezes e 12,5 vezes maior do que o do Bi ₅ puro O ₇ Eu e SrTiO ₃ , respectivamente. Os experimentos de captura de espécies reativas sugerem que \ (\ bullet {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {-} \) e buracos são as principais espécies ativas responsáveis pela degradação de RhB. Além disso, os espectros PL elucidam a separação efetiva de pares elétron-buraco fotoinduzidos. Além disso, o possível mecanismo fotocatalítico do SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos também são elucidados com base nas evidências experimentais.

Histórico

Os corantes das indústrias têxteis ou de corantes têm despertado muita preocupação quanto ao impacto na qualidade dos recursos hídricos e nos produtos de degradação tóxicos e cancerígenos [1]. Portanto, técnicas de tratamento mais competentes são necessárias para a eliminação completa dos corantes das águas residuais. Vários métodos convencionais envolvendo métodos físicos, químicos e biológicos têm sido aplicados para a remediação de corantes de águas residuais [2]. Esses métodos podem remover corantes de águas residuais, mas são frequentemente caros, ineficientes e produzem resíduos secundários [3, 4]. Entre as várias tecnologias de tratamento de efluentes com corantes, a fotocatálise baseada em semicondutores tem recebido um grande interesse e atraiu a atenção mundial [5,6,7]. Isso porque utiliza a energia solar para a decomposição de corantes poluentes, cuja fonte de energia é abundante, inesgotável, não poluente e gratuita [8, 9]. Atualmente, TiO ₂ é o fotocatalisador semicondutor mais amplamente usado devido à sua alta fotoatividade, baixo custo, estabilidade química e fotoquímica, não toxicidade e recursos ecológicos. No entanto, mostrou uma atividade fotocatalítica muito baixa sob irradiação de luz visível devido ao seu largo gap de 3,2 eV e à rápida recombinação dos portadores fotogerados [10]. Para resolver efetivamente os problemas acima mencionados, muito trabalho tem sido dedicado à modificação de superfície ou à combinação de fotocatalisadores semicondutores [11]. No entanto, o desenvolvimento de novos fotocatalisadores altamente eficientes ainda permanece um grande desafio [12].

Bi ₅ O ₇ I é um semicondutor do tipo p recém-descoberto, que mostra um nível de banda de valência relativamente mais positiva (VB) do que outros oxiiodetos de bismuto, fornecendo mais orifícios fotoexcitados e, subsequentemente, facilita a separação de portadores fotogerados [13]. Portanto, o Bi ₅ O ₇ O fotocatalisador I exibe uma alta atividade para a fotodegradação da Rodamina B (RhB) em água e acetaldeído sob irradiação de luz visível [14]. Infelizmente, a aplicação prática de Bi ₅ O ₇ O fotocatalisador I na descontaminação ambiental ainda é limitado, o que é atribuído à sua baixa eficiência de transferência causada pela recombinação de elétrons fotogerados e lacunas [15]. Com o objetivo de melhorar ainda mais a fotoatividade de Bi ₅ O ₇ I, muitas tentativas têm sido realizadas, como dopagem com metais ou não metais [16], ou acoplamento com outros semicondutores. Por exemplo, Huang et al. sintetizado g-C ₃ N ₄ / Bi ₅ O ₇ I heterojunção por meio de um método de cocristalização, e o compósito exibiu uma taxa de degradação 2,9 vezes maior do que a do Bi ₅ puro O ₇ I [17]; Cheng et al. fabricado Bi ₅ O ₇ I / Bi ₂ O ₃ compósito via método de ataque químico, que apresentou alta atividade fotocatalítica na decomposição do verde malaquita [18]; Hu et al. relatou que um composto compreendendo Sr tipo n ₂ TiO ₄ e tipo p Bi ₅ O ₇ Eu mostrei uma fotoatividade aumentada devido à inibição da recombinação elétron-buraco [19]; Cui et al. fabricado AgI / Bi ₅ O ₇ Eu hibrido por meio de uma reação iônica simples de uma etapa e o AgI / Bi ₅ O ₇ O composto I aumentou a atividade fotocatalítica [20] e assim por diante. Esses resultados mostraram que Bi ₅ O ₇ Compósitos à base de I exibiram um desempenho fotocatalítico aprimorado sob irradiação de luz visível. Portanto, podemos fabricar Bi ₅ O ₇ Compósitos baseados em I através do acoplamento a outro semicondutor com banda de condução adequada (CB) e posições VB como um fotocatalisador impulsionado por luz visível promissor. Entre vários candidatos, titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ) é um material semicondutor do tipo n, que foi extensivamente estudado por causa de suas muitas propriedades excelentes, por exemplo, estabilidade térmica, boa resistência ao calor, corrosão e resistência [21,22,23]. Pure SrTiO ₃ só absorve luz ultravioleta devido ao seu amplo gap de 3,1 ~ 3,4 eV [24]. Felizmente, o VB de SrTiO ₃ está posicionado entre o CB e o VB de Bi ₅ O ₇ I, enquanto seu CB está posicionado acima do CB de Bi ₅ O ₇ I. Considerando os méritos estruturais de Bi ₅ O ₇ I, combinação de SrTiO ₃ com Bi ₅ O ₇ I para formar o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ O composto pode ser uma forma viável e aconselhável de realizar a alta atividade fotocatalítica.

Neste trabalho, uma série de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Fotocatalisadores nanocompósitos I foram sintetizados pela primeira vez. Sua fase cristalina, microestrutura e propriedades ópticas foram investigadas por uma série de técnicas. O SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I exibiram um desempenho fotocatalítico aprimorado na degradação da solução de Rodamina B (RhB) sob irradiação de luz solar simulada. Além disso, o possível mecanismo fotocatalítico do SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos também foram elucidados com base nas evidências experimentais.

Métodos

Preparação de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I Compósitos

SrTiO ₃ nanopartículas e SrTiO ₃ / Compósitos BiOI foram inicialmente sintetizados via método sol-gel, conforme descrito na literatura [25, 26]. SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os compósitos foram então sintetizados por uma rota de decomposição térmica. Todos os reagentes químicos foram usados diretamente para os experimentos sem qualquer purificação adicional. Durante a decomposição térmica, o SrTiO como preparado ₃ / Compósitos BiOI foram colocados em um forno tubular e o programa de aquecimento foi definido da seguinte forma:rampa a 5 ° C min ^{- 1} a 500 ° C continuamente e mantendo a 500 ° C por 3 h. Em seguida, o forno foi resfriado naturalmente à temperatura ambiente para obter 10% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito. Outro SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I materiais nanocompósitos com diferentes SrTiO ₃ o conteúdo foi fabricado pelo método semelhante.

Amostra de caracterização

As estruturas cristalinas das amostras sintetizadas foram caracterizadas por difração de raios X (XRD) com Cu K _α radiação (D / max-2500, Rigaku). A morfologia das amostras foi investigada por um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo de ultra-alta resolução (FE-SEM; SUAPR55, Germany Zeiss) com espectroscopia de dispersão de energia (EDS). O componente elementar da superfície e o estado químico das amostras foram analisados por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS; Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, UK) com um Al K monocromatizado _α Fonte de raios X (hν =1486,6 eV). Os espectros de refletância difusa (DRS) no ultravioleta-visível (UV-vis) foram obtidos usando um espectrofotômetro de UV-vis (UV-2450, Shimadzu). Os grupos funcionais na superfície das amostras foram investigados em espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier Nicolet iS50 (FTIR; Thermo Fisher Scientific, EUA). Os espectros de emissão de fotoluminescência (PL) foram medidos em um espectrômetro de fluorescência de estado estacionário LH110911.

Estudos de avaliação fotocatalítica

A atividade fotocatalítica dos materiais foi avaliada através da decomposição de RhB sob irradiação com luz solar simulada (luz ultravioleta) em um aparelho de fotorreação. Após 30 min de adsorção no escuro, a adsorção-dessorção está em um equilíbrio entre o fotocatalisador e as moléculas de RhB. Uma lâmpada de xenônio de 500 W foi usada como fonte simulada de luz solar (lâmpada UV). Cem miligramas de fotocatalisador foram completamente dispersos em 100 mL de solução RhB (20 mg / L). Durante cada experimento fotocatalítico, 3 mL da suspensão foram pipetados a cada 30 minutos e centrifugados para remover as partículas de catalisador. A concentração de RhB foi medida usando espectrofotômetro UV-vis.

Resultados e discussão

Análise de XRD

Os padrões de pó XRD fornecem a estrutura de cristal e informações de fase das amostras sintetizadas, como mostrado na Fig. 1. O SrTiO ₃ a amostra é altamente cristalizada com uma estrutura de perovskita (JCPDS no. 35-0734). Os picos de difração no 2 θ valores de 22,75 °, 32,39 °, 39,95 °, 46,47 °, 52,34 °, 57,78 °, 67,82 ° e 77,18 ° podem ser indexados a (100), (110), (111), (200), (210), (211), (220) e (310) planos de cristal, respectivamente [27]. Nenhum outro pico de difração específico é detectado. Do padrão XRD de Bi ₅ puro O ₇ I, pode ser visto que os principais picos de difração a 7,71 °, 13,31 °, 15,38 °, 23,19 °, 28,08 °, 31,09 °, 33,43 °, 46,28 °, 47,69 °, 53,45 °, 56,51 ° e 58,02 ° estão em conformidade ao (001), (201), (002), (401), (312), (004), (020), (024), (224), (714), (332) e (624) aviões do Bi ₅ O ₇ I (JCPDS No. 10-0548), respectivamente [28]. O pico mais forte corresponde ao (312) plano de cristal de Bi ₅ O ₇ I. Do padrão de XRD de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito, pode-se descobrir que todos os picos de difração proeminentes estão surgindo de Bi ₅ tetragonal O ₇ Eu e perovskite SrTiO ₃ . Não há outros picos óbvios de impureza observados, o que indica que o Bi ₅ O ₇ Eu e SrTiO ₃ fases coexistem no composto.

Padrões de XRD de Bi ₅ puro O ₇ I, SrTiO ₃ e 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito

Análise XPS

As medições XPS fornecem mais informações para a avaliação da composição elementar da superfície e pureza de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito. A energia de ligação obtida na análise de XPS foi corrigida para carregamento de amostra referenciando C 1 s a 284,65 eV, e os resultados são exibidos na Fig. 2. O espectro de varredura de pesquisa XPS do composto é mostrado na Fig. 2a, que revela o existência de elementos Ti, Sr, Bi, I e O no composto. Os dois picos fortes em 159,02 e 164,25 eV são atribuídos respectivamente a Bi 4f _5/2 e Bi 4f _7/2 picos de Bi ³⁺ no SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos como mostrado na Fig. 2b [29]. No espectro de XPS de I 3d mostrado na Fig. 2c, os dois picos fortes em 617,88 e 630,22 eV, correspondendo a I 3d _5/2 e eu 3d _3/2 , respectivamente, sugerem o estado de oxidação -1 do iodo [30]. Como mostrado na Fig. 2d, as energias de ligação de Ti 2p _3/2 e Ti 2p _1/2 correspondem aos picos em 457,90 e 463,80 eV no espectro de Ti 2p, respectivamente. O pico de separação entre o Ti 2p _3/2 e Ti 2p _1/2 é 5,90 eV, o que indica um estado de oxidação + 4 de Ti no SrTiO3 / Bi ₅ O ₇ Eu compósitos [31]. Na Fig. 2e, os picos em 132,50 e 134,25 eV correspondem às energias de ligação de Sr 3d _5/2 e Sr 3d _3/2 , respectivamente, indicando sua existência no Sr ²⁺ estado [32]. Na Fig. 2f, os picos em 529,65 e 531,25 eV são atribuídos a O 1 s. O pico em 529,65 eV é atribuído ao oxigênio da rede de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos, e o pico em 531,25 eV é geralmente atribuído ao oxigênio adsorvido quimicamente causado por vacâncias de oxigênio [33]. O resultado XPS confirma ainda mais a formação de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos e integração íntima foi alcançada, o que concorda bem com os resultados de XRD.

Padrões XPS de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos: a pesquisa, b Bi 4f, c I 3d, d Ti 2p, e Sr 3d e f O1s

Análise SEM e EDS

As composições de superfície e morfologias de SrTiO puro conforme preparado ₃ , Bi ₅ O ₇ I e 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I foram observados por FE-SEM. Como pode ser visto na Fig. 3a, SrTiO ₃ puro é composto de partículas esferoidais ou esféricas com diâmetros na faixa de 50 ~ 300 nm. O menor SrTiO ₃ as partículas são obviamente agregadas até certo ponto. Na Fig. 3b, para o Bi ₅ O ₇ Em nanofolhas, elas têm um tamanho médio de cerca de 1 µm e uma espessura na faixa de 80 ~ 100 nm, que é semelhante ao relatado anteriormente [13]. Em contraste, após a combinação do Bi ₅ O ₇ I não é de nanofolhas, mas de morfologia dos nanobastões, que é construída por muitos nanobastões, conforme mostrado na Fig. 3c. Para o Bi ₅ O ₇ Em nanobastões, o comprimento está na faixa de 100 ~ 300 nm e o diâmetro médio é de cerca de 80 nm. Pode ser visto claramente que SrTiO ₃ as partículas estão fortemente aderidas à superfície de Bi ₅ O ₇ I nanobastões, e é considerado favorável para o desempenho fotocatalítico. Além disso, o EDS foi ainda usado para analisar a composição química de 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito. Conforme mostrado na Fig. 3d, o sinal C observado pode ser derivado do adesivo condutor que é usado para fixar a amostra. Observa-se que o EDS é adequadamente utilizado para a determinação quantitativa do teor de elementos pesados (por exemplo, Bi, Ti, I e Sr), mas não para os elementos leves (por exemplo, P e O) [34]. A razão atômica de Bi para I é obtida como 11/63 a partir do espectro EDS, que concorda bem com a razão atômica Bi / I de Bi ₅ O ₇ Eu me fase. A razão atômica de Sr / Bi é muito próxima a 1 / 12,5, implicando que SrTiO ₃ fase é responsável por cerca de 30% do conteúdo molar total do compósito.

Imagens SEM de a SrTiO puro ₃ , b Bi puro ₅ O ₇ I, c 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito e d Espectro EDS de 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito

Análise de propriedades ópticas

Os espectros UV-vis DRS dos diferentes catalisadores são mostrados na Fig. 4a. O puro SrTiO ₃ exibe uma borda de banda de absorção em 380 nm na região de UV, que pode ser atribuída à energia de gap de banda larga [35, 36]. O Bi ₅ O ₇ I mostra uma borda de absorção muito mais longa de 520 nm, que pode responder à luz visível. A borda de absorção do SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I têm 480 ~ 520 nm. Comparado com SrTiO puro ₃ , após o acoplamento com Bi ₅ O ₇ I nanofolhas, a intensidade do pico de absorção do SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I aumentaram significativamente.

a Espectros DRS de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos e b o gráfico Tauc de (Ahν) ^1/2 versus hν, o Bi ₅ puro O ₇ I e 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito, o gráfico Tauc de (Ahν) ² versus hν o puro SrTiO ₃ imagem inserida de b

Com base nos espectros de absorção, o E _g do semicondutor pode ser calculado a partir do Aһν =A ( һν - E _g ) ^{n / 2} equação [37]. Os valores de n para SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ I são 4 e 1, respectivamente. A energia do gap de banda do SrTiO ₃ pode ser estimado a partir do gráfico (Aһν) ² versus energia do ploton (һν), e a energia do intervalo de banda do Bi ₅ O ₇ Posso ser estimado a partir do gráfico (Aһν) ^1/2 versus һν. A interceptação da tangente ao X eixo dá uma aproximação da energia do gap das amostras, conforme exibido na Fig. 4b. Os valores da energia do gap de Bi ₅ puro O ₇ I, 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito e SrTiO puro ₃ são cerca de 2,31, 2,38 e 3,2 eV, respectivamente, que são consistentes com os valores relatados na literatura relevante [38, 39].

Análise de Espectroscopia FTIR

O Bi ₅ O ₇ Eu e SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I foram posteriormente caracterizados usando espectroscopia FTIR para analisar sua ligação química. Como mostrado na Fig. 5. Pode-se ver que em quase todas as amostras as bandas de adsorção de 3445,5 e 1621,9 cm ⁻¹ foram devido à vibração de alongamento O – H e vibração de deformação das moléculas de água adsorvidas quimicamente [40]. A banda em 2906,5 cm ⁻¹ é atribuída à vibração de alongamento Ti – O [41]. Os outros picos estão na faixa de 1471,6–500 cm ⁻¹ correspondem aos modos de alongamento e deformação envolvendo ligações Bi – O [42].

Espectros de FTIR do Bi ₅ puro O ₇ Eu e SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I

Atividade fotocatalítica

As Bi ₅ O ₇ Eu e SrTiO ₃ têm fotoabsorção muito distintas e SrTiO ₃ responde principalmente à luz ultravioleta, a luz solar simulada e a luz ultravioleta sob as mesmas condições são empregadas separadamente como fonte de luz para explorar o desempenho fotocatalítico de Bi ₅ O ₇ I, SrTiO ₃ , e SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos. A Figura 6a exibe as curvas de degradação de RhB sob irradiação de luz solar simulada. Observa-se que o RhB é estável e dificilmente se decompõe sem o catalisador sob irradiação solar simulada por 150 min. O puro SrTiO ₃ mostra atividade catalítica moderada, e apenas 18% de redução de RhB foi alcançada após 150 min de irradiação. É atribuído à baixa absorção de luz de SrTiO ₃ na região de luz visível ou suas energias de grande intervalo de banda. Pure Bi ₅ O ₇ I exibe uma atividade muito distinta que degrada mais de 52% do RhB em 150 min. Comparado com SrTiO puro ₃ e Bi ₅ O ₇ Eu, o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I exibem uma atividade fotocatalítica significativamente melhorada sob a mesma condição. Com o aumento de SrTiO ₃ de 10 a 40%, a atividade fotocatalítica dos compósitos aumenta primeiro e depois diminui, e a maior atividade fotocatalítica é observada para o SrTiO de 30% em peso ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito. Para este composto ideal, a degradação do corante atinge aproximadamente 89,6% sob irradiação de luz solar simulada por 150 min. Essa alta atividade pode ser atribuída aos elétrons fotogerados com uma mobilidade e separação mais rápidas.

a Degradação fotocatalítica da solução RhB para todas as amostras sob irradiação de luz solar simulada. b Gráficos de -ln (C _t / C ₀ ) vs tempo para todas as amostras. c Degradação fotocatalítica da solução RhB para todas as amostras sob iluminação de luz ultravioleta. d Eficiência de degradação do ciclo de RhB sobre o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I

Para compreender melhor a cinética da reação de degradação fotocatalítica de RhB para diferentes fotocatalisadores, a eficiência de degradação fotocatalítica foi calculada usando a seguinte equação:ln ( C ₀ / C _t ) = K _aplicativo t , onde C ₀ , C _t e K _aplicativo são representativos da concentração inicial, da concentração no tempo t e da constante de taxa de pseudo-primeira ordem aparente, respectivamente [43]. O -ln (C _t / C ₀ ) exibe uma relação bem linear com o tempo de irradiação e a reação fotocatalítica pertence à reação de pseudo-primeira ordem, como mostra a Fig. 6b. O k _aplicativo valores obtidos para Bi ₅ O ₇ I, SrTiO ₃ , 10% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I, 20% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I, 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I e 40% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I são 1,16 × 10 ⁻³ , 4,88 × 10 ⁻³ , 9 × 10 ⁻³ , 1,06 × 10 ⁻² , 1,45 × 10 ⁻² e 9,24 × 10 ⁻³ min ⁻¹ , respectivamente. É notável que 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ O nanocompósito I manifesta a constante da taxa de reação fotocatalítica máxima, que é cerca de 2,97 vezes maior do que a do Bi ₅ puro O ₇ I, e 12,5 vezes maior do que o de SrTiO ₃ puro .

As curvas de degradação de RhB sobre todas as amostras sob irradiação de luz ultravioleta são ainda mostradas na Fig. 6c. Pode-se ver claramente que o fenômeno é semelhante ao da Fig. 6a. Porém, todas as amostras apresentam eficiência fotocatalítica muito baixa devido à pouca absorção da luz ultravioleta, e a sensibilização ao corante tem efeito na atividade fotocatalítica. Como mostrado na Fig. 6a, 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito ainda exibe a melhor atividade; entretanto, a fotodegradação de RhB é de apenas 40% em 150 min. Estes resultados demonstram que o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I possuem atividade fotocatalítica mais eficiente sob irradiação de luz solar simulada.

A estabilidade e reutilização de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ O nanocompósito I foi conduzido repetindo os testes de degradação de RhB. Após cada ciclo, o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I foram reutilizados no ciclo seguinte antes de serem coletados por centrifugação, lavados várias vezes com água deionizada e álcool etílico e finalmente secos a 80 ° C por 3 h. Como mostrado na Fig. 6d, a atividade fotocatalítica do compósito não diminui obviamente, mesmo após a quinta reciclagem sob irradiação solar simulada, o que sugere uma boa estabilidade para a reciclagem de 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito.

Discussão do mecanismo fotocatalítico

A fim de obter algumas informações sobre as espécies ativas envolvidas na fotodegradação de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Em nanocompósitos, realizamos experimentos de captura de espécies reativas ao longo de 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito para determinar as principais espécies ativas na reação fotocatalítica. Como mostrado na Fig. 7, a adição de isopropanol (IPA) quase não tem efeito na degradação de RhB sobre o SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos, o que indica que nenhum radical • OH é gerado. Ao contrário, uma diminuição significativa na degradação do corante é observada após a adição de benzoquinona (BQ) ou sal dissódico do ácido etilenodiaminotetracético (EDTA-2Na), o que implica que \ (\ bullet {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {- } \) e buracos são as substâncias reativas primárias para fotodegradação de RhB.

A constante de eficiência de degradação de RhB ao longo de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito na presença de vários necrófagos

A fim de investigar a separação de carga dos fotocatalisadores preparados, a espectroscopia PL foi posteriormente introduzida. A Figura 8 mostra a comparação dos espectros PL entre Bi ₅ O ₇ I e 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito sob a excitação em 320 nm. Os espectros de PL de ambas as amostras são caracterizados por um pico em 497 nm, que é atribuído à emissão de energia de transição de gap de Bi ₅ O ₇ I. No entanto, há uma diminuição acentuada na intensidade de 30% em peso SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito. Este fenômeno demonstra uma separação eficiente dos portadores fotogerados dentro do composto entre SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ EU.

Espectros PL de Bi ₅ puro O ₇ I nanofolhas e 30% em peso de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósito

Para entender melhor o mecanismo da atividade fotocatalítica aprimorada do SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos sob irradiação de luz solar simulada, as posições CB e VB correspondentes para SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ Eu sou teoricamente calculado de acordo com \ ({E} _ {VB} =\ chi - {E} _0 + \ frac {1} {2} {E} _g \) e E _CB = E _VB - E _g , onde E _VB é o potencial VB, E _CB é o potencial CB, E ₀ é a energia dos elétrons livres na escala do hidrogênio (ca. 4,5 eV), E _g é a energia do band gap, e χ é calculado como a média geométrica das eletronegatividades Mulliken dos componentes no semicondutor [44]. Portanto, o E _VB e E _CB de Bi ₅ O ₇ Fui calculado para ser 2,92 e 0,56 eV, enquanto as energias de SrTiO ₃ eram cerca de 2,03 e -1,15 eV, respectivamente. Esses dois semicondutores têm potenciais de banda adequados e, portanto, podem construir uma estrutura composta.

De acordo com os resultados acima, uma ilustração esquemática de bandas de energia correspondentes entre SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ I e as possíveis formas de transferência de cargas são representadas na Fig. 9. Ambos SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ Estou animado com a luz solar simulada (luz ultravioleta) e os elétrons no VB de ambos SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ Eu ficaria animado com o CB, os buracos permaneceram em seu VB. Como o potencial CB de SrTiO ₃ (-1,15 eV) é mais negativo do que Bi ₅ O ₇ I (+ 0,56 eV), os elétrons de SrTiO ₃ são facilmente injetados no CB de Bi ₅ O ₇ I. Os elétrons fotogerados podem reagir com O ₂ para produzir o radical superóxido de espécie de oxigênio ativo (\ (\ bullet {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {-} \)), que então induz a degradação de RhB [45]. Por outro lado, os buracos no VB de Bi ₅ O ₇ Eu migro para o VB de SrTiO ₃ , resultando em uma separação efetiva dos elétrons e lacunas fotoinduzidas. Desta forma, os elétrons fotogerados e buracos são separados efetivamente no SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos. O VB de SrTiO ₃ é 2,23 eV, menor do que o potencial redox de • OH / H ₂ O (+ 2,27 eV). De acordo com os relatórios relevantes [46, 47], o VB de SrTiO ₃ é insuficiente para oxidar H ₂ O em • OH. Isso indica que \ (\ bullet {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {-} \) e buracos são as principais espécies de oxigênio ativo para SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos na descoloração de RhB, sob irradiação de luz solar simulada. Portanto, o SrTiO sintetizado ₃ / Bi ₅ O ₇ O fotocatalisador nanocompósito I exibe um desempenho fotocatalítico muito maior do que o de SrTiO ₃ e Bi ₅ O ₇ EU.

O diagrama esquemático da banda de energia e possível processo fotocatalítico de SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Nanocompósitos I

Conclusões

Em resumo, romance SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os fotocatalisadores de nanocompósitos I foram projetados e fabricados por uma abordagem solvotérmica associada à decomposição térmica. As medições XRD, XPS e EDS ilustram que os produtos são de fato SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos. A análise UV-vis DRS mostra que SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ Os nanocompósitos I apresentam um bom desempenho de absorção de luz. Os resultados dos espectros PL mostram que a recombinação de pares elétron-buraco fotoinduzidos é obviamente inibida em SrTiO ₃ / Bi ₅ O ₇ I nanocompósitos. Os nanocompósitos obtidos apresentam boa estabilidade e capacidade de reciclagem no processo fotocatalítico. O SrTiO como-sintetizado ₃ / Bi ₅ O ₇ I photocatalysts exhibit a highly efficient photocatalytic property for the degradation of RhB under simulated solar light irradiation, which is superior to that of SrTiO₃ and Bi₅ O ₇ I. The outstanding photocatalytic activity of the photocatalysts is ascribed to the efficient separation and migration of photogenerated charge carriers. The \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) and holes are the main oxygen-active species causing the dye degradation. This work could provide insights into the design and development of other excellent photocatalytic materials for environmental and energy applications.