Synthèse hydrothermale de nanoflocons d'oxyde de graphène réduit décorés à l'argent (rGO) avec une activité photocatalytique efficace pour le traitement des eaux usées

Introduction

L'eau sur terre s'apparente au sang dans notre corps. C'est une ressource essentielle pour la survie et le développement de toutes les espèces vivantes. Bien que 71 % de la surface de la terre soit recouverte d'eau, seulement 0,03 % de l'eau totale est considérée comme de l'eau douce directement utilisable par l'homme via les lacs d'eau douce, les rivières et les eaux souterraines peu profondes [1]. Au cours des dernières décennies, la disponibilité insuffisante d'eau potable s'est présentée comme une préoccupation mondiale incessante. La croissance rapide de la population mondiale et l'industrialisation ont entraîné une augmentation de la pollution de l'environnement, de sorte qu'environ 750 millions de personnes sont confrontées à un manque d'accès à l'eau potable [2, 3]. Les réservoirs d'eau sont contaminés de manière récurrente par divers polluants dangereux contenant des ions de métaux lourds, des colorants, de l'huile et d'autres produits chimiques qui sont libérés par différentes tanneries et industries du cuir liées au textile, au caoutchouc, au papier, aux cosmétiques, à la teinture, au plastique et à l'alimentation [4]. Selon le rapport de la Banque mondiale, 17 à 20 % de la pollution de l'eau est provoquée par l'industrie textile. Chaque année, ~ 1/10ème de million de types de colorants sont produits dans de nombreux procédés textiles, parmi ces colorants, le bleu de méthylène (MB) 10 à 15 % est directement rejeté dans les effluents. Ces polluants créent de graves problèmes de santé tels que le cancer, les irritations cutanées, les allergies et les dysfonctionnements du foie et sont également nocifs pour la vie aquatique [4, 5].

Pour résoudre ces problèmes mondiaux, certaines approches de traitement conventionnelles telles que l'échange d'ions, l'électrolyse, le filtre à charbon, la coagulation chimique, les méthodes biologiques, la filtration sur membrane et l'osmose inverse (OI) sont utilisées. Néanmoins, une série d'inconvénients et de limitations sont associés à ces techniques, notamment l'incompétence, la procédure complexe, la formation élevée de boues, les coûts de mise en œuvre et d'exploitation élevés et l'utilisation de grandes quantités d'énergie [4, 6, 7]. Ainsi, des technologies efficaces avec les propriétés susmentionnées doivent être développées; parmi ces techniques, la photocatalyse pallie au maximum les déficiences.

À ce jour, la dégradation photocatalytique à l'aide de nanomatériaux semi-conducteurs inorganiques a montré une grande opportunité et un grand intérêt pour les chercheurs en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques telles que la faible toxicité, la stabilité électrochimique, la capacité super oxydante, la rentabilité et la viabilité environnementale [2, 8, 9 ]. Au cours du processus photocatalytique (PC), les nanomatériaux absorbent une plus grande énergie lumineuse visible que l'excitation initiée par la bande interdite entre les bandes de valence et de conduction. Grâce à la séparation des charges, des paires électron-trou sont générées. Les radicaux libres (OH) oxydent les composés organiques et dégradent les contaminants [8, 10].

D'un autre côté, certains facteurs cruciaux sont essentiels pour déterminer les performances du PC, en particulier la surface du photocatalyseur, car les polluants organiques se dégradent principalement à la surface du semi-conducteur. Présence d'une capacité d'absorption de lumière robuste, d'un taux d'oxydoréduction interfacial rapide, parmi diverses nanostructures ; les nanostructures bidimensionnelles (2D) ont tendance à atteindre ces caractéristiques plus efficacement [11,12,13,14]. Les nanomatériaux 2D offrent également des canaux de transport d'électrons en raison de jonctions et de joints de grains réduits contrairement aux autres nanocristaux sphériques. Le transport rapide des électrons diminue le taux de recombinaison et augmente les performances de dégradation du PC. Ainsi, dans cette ligne, l'oxyde de graphène (GO) est un candidat approprié pour approuver l'efficacité du PC semi-conducteur [15,16,17,18].

Au cours des dernières décennies, en plus des CNT et d'autres nanomatériaux à base de carbone, le graphène avec une seule nanofeuille d'épaisseur atomique est devenu un candidat accrocheur avec un large éventail de propriétés pertinentes prometteuses, notamment la conversion d'énergie, le stockage et les activités catalytiques [19, 20,21]. Dans les études concernant le traitement et la distillation de l'eau, grâce à un grand nombre d'électrons délocalisés conjugués dans sp ² configuration du réseau de carbone, le carbone graphitique enrichit le transport des photo-électrons et améliore considérablement l'efficacité de photo-conversion du système. Par ailleurs, GO présente une grande capacité d'absorption des matières organiques en milieu aqueux [22, 23]. Les GO et les oxydes de graphène réduits (rGO) permettent une réaction PC et, en raison de leur bande interdite étroite, sont promus comme photocatalyseurs semi-conducteurs actifs dans la lumière visible. Néanmoins, des améliorations sont possibles car la photo-conversion s'est avérée médiocre en raison de la recombinaison rapide des paires électron-trou à la surface.

L'efficacité de la photo-conversion des photocatalyseurs basés sur GO/rGO peut être améliorée en empêchant la recombinaison électron-trou. Pour atteindre cet objectif, des modifications de surface ont été bien développées avec des ions de métaux nobles, notamment des nanoparticules de platine (Pt), de palladium (Pd), d'argent et d'or (NP). L'argent parmi les métaux nobles les plus étudiés est considéré comme un candidat probable pour la modification du graphène et de ses analogues pour la pertinence PC en raison de son faible coût, de ses propriétés optiques incomparables, de sa stabilité chimique plus élevée et de sa nature non toxique. Une plus grande immobilité des nanoparticules d'argent décorées sur rGO est reconnue comme une performance améliorée, principalement en raison d'une zone réactive accrue et d'une séparation de charge supérieure. Les propriétés uniques d'agrégation et de transport d'électrons de GO via un schéma conjugué conduisent les électrons chauds vers des sites réactifs et suppriment la recombinaison [23]. Par conséquent, au nom des avantages susmentionnés, nous avons cherché à synthétiser différents rapports de teneur en Ag (2,5, 5, 7,5, 10) % en poids avec le photocatalyseur rGO par voie hydrothermale pour examiner l'efficacité du photocatalyseur et également des échantillons préparés seraient caractérisés par plusieurs techniques pour étudier propriétés optiques et électroniques structurelles.

Méthodes

L'étude actuelle visait à synthétiser diverses concentrations d'Ag dans des nanofeuillets rGO par voie hydrothermale pour étudier l'efficacité du photocatalyseur.

Matériaux

Graphite (99 %) et nitrate de sodium (NaNO₃ ) 99,9 % ont été achetés auprès de « Sigma-Aldrich », tandis que l'acide sulfurique (H₂ SO₄ , 37%) et acide phosphorique (H₃ Bon de commande₄ ) ont été acquis auprès de « Analar ». Argent (Ag, 99,8 %), permanganate de potassium (KMnO₄ , 99 %), et l'acide chlorhydrique (HCL) ont été obtenus à partir de « Merck ». Tous les produits chimiques ont été utilisés sans autre purification.

Synthèse de GO

La méthode hummers modifiée a été adoptée pour obtenir GO. Graphite (5 g) et NaNO₃ (2,5 g) ont été mélangés dans H₂ SO₄ (108 ml) avec 12 ml H₃ Bon de commande₄ . Le mélange a été agité magnétiquement dans un bain de glace pendant 10 minutes; une autre solution de filtrat a été séchée dans un four à moufle à 60 °C pendant 2 h pour éliminer l'humidité. Plus tard, KMnO₄ (15 pg) ont été ajoutés lentement à une température maintenue en dessous de 5 °C. La suspension a été transférée dans un bain de glace pendant 2 h après agitation vigoureuse à 98 °C pendant 60 min tandis que de l'eau était ajoutée en continu. De l'eau déminéralisée a été ajoutée jusqu'à ce que le volume de suspension soit de 400   ml après 5 min de H₂ O₂ (12 ml) a été mélangé. Enfin, la suspension a été centrifugée et lavée à plusieurs reprises avec de l'eau et le produit HCL a été séché à 60 °C et le pH de GO s'est avéré être de 5,7 après lavage, comme illustré sur la figure 1 [24, 25].

Processus de synthèse pour GO et rGO dopé Ag

Synthèse d'Ag/rGO

Le rGO a été extrait du GO par réduction thermique Le GO a été réduit en le maintenant à une température de réduction (300°C) un changement soudain de température provoque l'élimination des groupes fonctionnels et des atomes d'oxygène des plans de carbone et l'exfoliation du GO a lieu pour produire du rGO [ 26]. Le rGO peut être considéré comme du graphène d'origine chimique, dont la structure variait d'une couche à plusieurs couches [27]. Le rGO dopé à l'Ag avec divers rapports de concentration a été synthétisé par voie hydrothermique, en utilisant des nanofeuillets de GO de 800 mg incorporés avec (25, 50, 75 et 100  mg) d'Ag dans 80  ml d'eau déminéralisée sous agitation vigoureuse pendant 20 min. La solution a ensuite été centrifugée (30 min) et ensuite transférée dans un autoclave revêtu de téflon de 100 ml, scellé et chauffé à 200 °C (24 h). Le produit final a été séché à ~ 200 °C comme indiqué sur la figure 1 [9].

Activité photocatalytique

L'activité photocatalytique des produits préparés a été évaluée par la dégradation du bleu de méthylène synthétique (MB) en milieu aqueux comme le montre la figure 2. Le colorant (5 mg/500 ml) a été préparé avec 10 mg de suspension de photocatalyseur (0,025:1, 0,050 :1, 0,075:1 et 0,1:1) sous agitation (5 min) et exposé à l'obscurité pendant 30 min pour obtenir une absorbance significative. Un 60µml de solution préparée sous agitation vigoureuse a été transféré dans un photoréacteur sous lampe au mercure (400µW et 400-700µnm) utilisé comme source de lumière visible. Après exposition à la lumière pendant des intervalles de temps spécifiés (20 min), la suspension (3 ml) a été collectée pour déterminer la dégradation du colorant. La concentration/absorbance de MB a été examinée avec un spectromètre UV-Vis; l'efficacité de décoloration du photocatalyseur préparé a été évaluée comme suit :

Mécanisme photocatalytique de dégradation du colorant en présence d'Ag/rGO

où C _o est l'absorbance à t =0 et C est l'absorbance au temps t (intervalle de temps spécifique) [8, 10].

Le mécanisme de dégradation photocatalytique des molécules organiques est élucidé comme suit (Fig. 2). Lorsque le photocatalyseur (Ag/rGO) est irradié avec des photons d'énergie égale ou supérieure à l'énergie de la bande interdite de PC, alors les électrons (e ⁻ ) sont excités à partir de la bande de valence (VB)

Les électrons générés par irradiation peuvent être facilement piégés par O₂ molécule absorbée à la surface du photocatalyseur (PC) ou de l'O₂ dissous donner des radicaux superoxydes, c'est-à-dire O₂ ^•−

Ainsi, O₂ ^•− peut réagir avec H₂ O pour produire le radical hydroperoxy (H₂ O ^• ) et le radical hydroxyle (OH ^• ), qui sont des agents oxydants influents qui décomposent les molécules organiques :

Parallèlement, des trous photogénérés pourraient être piégés par des groupes hydroxyles de surface (H₂ O) à la surface d'un photocatalyseur pour produire des radicaux hydroxyles (OH ^• ):

Finalement, les molécules organiques seront oxydées pour produire du CO₂ et H₂ O comme suit :

OH + molécules organiques + O₂ → produits (CO₂ et H₂ O) (7)

Temporairement, une légère recombinaison du trou positif et de l'électron pourrait avoir lieu, ce qui pourrait réduire l'activité photocatalytique du nanocatalyseur préparé [28].

Caractérisation des matériaux

La structure cristalline et les informations de phase de GO et Ag@rGO ont été étudiées par XRD, par un système spectral Bruker (XRD, D2 Phaser, USA) équipé d'un rayonnement Cu K monochromatisé d'une longueur d'onde moyenne de 0,154  nm (5-80°) à l'aide d'un taux de balayage de 0,05/min. Spectromètre FTIR Perklin Elmer 3100 avec une gamme spectrale de 4000–400 cm ⁻¹ avec une augmentation de 32 scans et une résolution de 0,2 cm ⁻¹ a été utilisé pour détecter les groupes fonctionnels et autres vibrations moléculaires des échantillons préparés. Les propriétés optiques ont été enregistrées au moyen d'un spectrophotomètre UV-Vis (TECAN infinie M200PRO) dans la plage de 200 à 700  nm. La morphologie de surface et la distance intercouche des échantillons synthétisés ont été observées à l'aide d'un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM), JSM-6460LV et d'un microscope électronique à transmission haute résolution (HR-TEM) Philips CM30 et JEOL JEM 2100F. Pour confirmer les modes GO, Ag/rGO et les modes de vibration, des spectres Raman ont été utilisés sur Renishaw dans un microscope Raman confocal réflexe avec une longueur d'onde laser de 532  nm (6 mW). Les spectres de photoluminescence des échantillons tels que préparés et dopés ont été enregistrés au moyen d'un spectrofluoromètre (JASCO, FP -8300).

Résultats et discussion

La structure de phase et la taille des cristallites des nanofeuillets de rGO insérés Ag préparés ont été examinées à l'aide d'une analyse XRD (Fig. 3a). Le diffractogramme de GO montre une réflexion intense située à ~ 10,27° attribuée au plan (001) avec un espacement intercouche de 0,80 nm [23, 29, 30]. Lors du dopage d'Ag, le pic large prend naissance à ~ 25,4°, qui est reconnu comme le pic caractéristique du graphène indexé comme (002) plan (JCPDS n° 04-0783) du graphite hexagonal, avec un espacement d de 0,34 nm [23, 30, 31 ,32]. Le pic (001) révèle que la poudre de graphite est complètement oxydée en GO et le pic (002) a approuvé l'élimination du modèle de polyhydrocarbure entre deux couches de rGO [30]. Après la substitution d'Ag, le pic GO (001) est passé à une valeur plus élevée à 2θ à 25,4° avec un espacement d inférieur évident à la réaction redox entre l'oxyde de graphène et les ions d'argent (Ag-rGO) et la valeur de décalage d après réduction causée par l'élimination des groupes contenant de l'oxygène qui s'intercalent entre les couches d'oxyde de graphène réduit (rGO) comme visible dans le diffractogramme XRD [29, 32]. Taille moyenne des cristallites évaluée par l'équation de Scherer :

Les tailles des cristallites sont respectivement de ~ 4,85, 11,3, 11,53, 11,6 et 28,3  nm. Dans l'éq. (8) k =0,89, β =FWHM, λ =0,154 nm, et θ =angle de diffraction. La diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) sur les figures 3b et c correspondant aux motifs XRD des échantillons préparés présente des caractéristiques annulaires distinctes et indique une phase hexagonale de GO et Ag/rGO manifestée en produits bien cristallisés ; de plus, l'indexation des anneaux était cohérente avec les modèles XRD.

un modèle XRD. b , c Anneaux SAED de RGO tel que préparé et dopé Ag (b ) 0:1 (c ) 0,010:1. d Spectres FTIR

Les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) de GO et rGO dopé Ag sont illustrés sur la figure 3d. Pic observé ~ 3433 cm ^–1 correspond à la vibration d'étirement O-H [23]. Faibles pics de transmission à 1719 cm ^–1 attribuer à C =O les vibrations d'étirement causées par les groupes COOH et la bande à 1627 cm ⁻¹ attribué à l'étirement C-C aromatique [10, 33]. Pic à ~ 2371 cm ⁻¹ attribués aux groupes COO [34]. Pic de transmission (~ 650 cm ⁻¹ ) est une région d'empreinte de sp ² hybridée liaison carbone attribuée comme vibration de flexion C-H [35]. Bande ~ 1082 cm ^–1 correspond à C–O–C des vibrations d'étirement hydroxyle, lors du dopage, la valeur maximale des groupes fonctionnels sur l'échantillon dopé a légèrement changé tandis que leurs formes restent similaires [23, 29, 36].

Les propriétés optiques en termes d'analyse d'absorbance et de bande interdite du photocatalyseur Ag-rGO ont été examinées à l'aide d'un spectrographe Uv-Vis allant de 200 à 700  nm, comme le montre la figure 4a. Le spectre Uv-Vis de GO présente un pic de caractéristiques autour de 230  nm en raison de π –π * la transition des liaisons aromatiques C–C a indiqué la restauration d'une vaste structure conjuguée de sp ² atomes de carbone. Un autre pic d'épaule observé à 300 nm attribué à n –π * transitions des liaisons C=O [19, 23, 31]. A l'inverse, ces deux pics s'affaiblissent en cas d'Ag/rGO correspondant à π –π * transition de la liaison aromatique C-C trouvée décalée vers le rouge à 270  nm qui confirme la réduction de GO et n'indique aucune restauration de la conjugaison électronique du graphène [23, 29]. L'absorption dans la région visible (~ 400 nm) en raison de leur résonance plasmonique de surface des Ag NPs est une preuve supplémentaire d'être un photocatalyseur actif dans la lumière visible pour l'élimination des corps organiques [23, 29, 37]. La bande interdite a été calculée par l'équation de Tauc; αhν = D (hν − Ex. ) ⁿ en traçant de (αhν ) ² contre hν par extrapolation des ajustements linéaires, la bande a été calculée comme étant de 4,10  eV pour GO et de 3,98 à 3,50  eV pour Ag/rGO, la bande interdite a progressivement diminué avec un dopage plus élevé des Ag NP clairement observé sur la figure 4b [38].

un Spectres UV-Vis de GO et Ag-rGO. b Comparaison des bandes interdites

Les caractéristiques morphologiques des échantillons GO et Ag-rGO élucidées par FESEM et HR-TEM montrées sur la figure 5. Les images GO (figure 5a) montrent quelques couches de microstructures avec des rides riches et une morphologie duveteuse ressemblant à un rideau mince. Les images d'Ag@rGO (Fig. 5b-d) montrent des nanofeuillets transparents partiellement pliés et enroulés avec de petites fluctuations qui sont essentielles pour supporter la stabilité thermodynamique du graphène, en raison de sa structure cristalline 2D. Les nanofeuillets présentent des structures extrêmement propres, soyeuses et ondulées et cette caractéristique peut être importante pour éviter l'agrégation des feuilles rGO et maintenir la surface pour faciliter la fixation des Ag NPs sur des feuilles de graphène qui peuvent être visualisées dans des images HR-TEM [36]. Les images HR-TEM correspondantes (Fig. 6 a₁ -d₁ ), GO présente une structure lamellaire et en feuille avec une surface propre (Fig. 6a₁ ), dans l'échantillon Ag-rGO (Fig. 5 b₁ ) peu de plis d'empilement en raison de leurs déformations à partir d'une fraction élevée de sp ³ Obligations C–O [29]. Avec une concentration croissante d'Ag NPs (Fig. 6 c₁ , d₁ ) les images ont révélé une diffusion bien dispersée et homogène de NPs d'Ag de forme sphérique à la surface des feuilles de rGO avec une taille de particule moyenne de 10-12 nm [23, 29]. Dans la figure 6 d₁ avec une concentration plus élevée (10 %) d'Ag, l'agrégation des particules a augmenté, ce qui est évident pour les espèces dopées.

(un -d , a ₁ -d ₁ ) Images FESEM et HR-TEM de GO et Ag/rGO (a , a ₁ ) ALLER (b , b ₁ ) 0,050:1 (c , c ₁ ) 0,075:1 et (d , d ₁ ) 0,10:1

un -d espacement d des images HR-TEM d'Ag-rGO (a ) 0,025:1 (b ) 0,050:1 (c ) 0,075:1 (d ) 0,10:1

Les images à très haute résolution jusqu'à 5 et 10 nm d'espacement d des échantillons Ag/rGO peuvent être clairement observées sur les figures 6a-d. Les zones encerclées indiquent la présence de NP d'Ag avec un espacement réticulaire des nanocristaux d'Ag d'environ 0,235  nm [23, 29].

Une analyse de photoluminescence (PL) a été menée pour étudier la durée de vie, le transfert et le piégeage de la paire électron-trou et étudier l'interaction entre les nanostructures de graphène, son influence sur la réponse photocatalytique illustrée sur la figure 7a [39, 40]. Le graphite ne présente aucune propriété de luminescence en raison de la bande interdite nulle. Néanmoins, lors d'une diminution de la taille jusqu'à l'échelle nanométrique, la bande interdite devient large en raison de l'effet de confinement quantique. Dans les nanofeuillets de GO et rGO, les groupes d'oxydes et les lacunes de carbone ont modifié le graphène pour former n'importe quel nano-amas de carbone qui démontre un comportement semi-conducteur et un phénomène de luminescence qui peut être influencé par la taille ou la fraction des chaînes et des amas [40, 41]. Dans les spectres PL, les pics de luminescence étaient situés à ~ 330, 565 et 608  nm, ce qui est attribué à la recombinaison de paires électron-trou dans l'état local de sp ² clusters de carbone incorporés avec sp ³ matrice. Par conséquent, la luminescence rGO est due à la disparition des groupes fonctionnels de l'oxygène qui facilitent la percolation des voies entre sp ² grappes [40]. Pic significatif à ~ 565 nm fortement diminué en cas de rGO avec réduction des groupes fonctionnels oxyde GO qui sont diminués et sp ² les clusters de carbone sont étendus simultanément [41].

un spectres PL. b Spectres Raman d'échantillons préparés. c Zone de zoom des spectres Raman

La spectroscopie Raman a été déployée pour sonder les propriétés électroniques et structurelles de l'échantillon de contrôle et Ag@rGO pour distinguer les structures de carbone ordonnées et désordonnées, comme le montrent les figures 7b, c. En cas de GO, deux bandes sont situées à ~ 1340 et ~ 1590 cm ⁻¹ affecté respectivement comme bande D et G. La bande D est affectée au mode de respiration des phonons à k points avec A_1g symétrie et bande de sp ³ atomes de carbone; La bande G suggère un pic caractéristique de sp ² structure hybride qui révèle la symétrie et la cristallisabilité du carbone et introduit E_2g diffusion des phonons des atomes de carbone [32, 33, 36]. De plus, la bande D est évidente pour les défauts de surface et les imperfections structurelles surviennent avec des groupes de fonctions hydroxyle et époxyde attachés avec des plans basaux de carbone [36]. La bande G n'est que le mode Raman du graphène provenant d'un processus conventionnel de diffusion Raman du premier ordre et correspond au centre de la zone dans le plan, au mode phonon doublement dégénéré (optique transversal (TO) et longitudinal (LO)) avec E_2g symétrie [42]. Dans le cas du spectre Ag-rGO Raman observé à 1338 cm ⁻¹ (bande D), 1583 cm ⁻¹ (bande G) et 2682 cm ⁻¹ (bande 2D) il y a un pic supplémentaire centré à 2900 cm ⁻¹ (bande D + G) qui représente le trouble dû à la diffusion combinée dans les Fig. 7b, c [31, 35, 42, 43, 44, 45]. Les modes D et 2D proviennent du processus de double résonance du deuxième ordre entre des points k non équivalents dans la zone Brillouin (BZ) du graphène, car la bande 2D indique le deuxième ordre de la bande D qui fait allusion à l'harmonique de la bande D avec son existence due à deux processus vibrationnels du réseau téléphonique; néanmoins, il n'est pas associé à des défauts comme la bande D sur la figure 7c [35, 41]. Les variations des intensités relatives des bandes G et D dans les spectres Raman de GO au cours de la réduction sont généralement désignées par un changement d'état de conjugaison électronique. Ce changement suggère une augmentation du nombre de sp ² domaines atomiques suite à la réduction de GO [46]. Le rapport d'intensité de la bande D à G définit le degré de désordre dans les couches de graphite; I_D /I_G =0,87 pour un échantillon gratuit dopé (GO), I_D /I_G =1,15 pour les échantillons dopés à l'Ag et l'augmentation du rapport indique une diminution de la taille moyenne de sp ² domaines carbonés après synthèse de Ag@rGO, tandis que rapport d'intensité entre la bande 2D et G (I_2D /I_G ) qui vaut 1,69, ont été utilisées pour sonder la concentration d'électrons dans rGO [31, 32, 35, 47].

Les nanoparticules d'Ag, lorsqu'elles sont dopées dans un matériau semi-conducteur, génèrent une différence de potentiel de contact en raison de leurs différentes fonctions de travail. Cette différence de potentiel est appelée barrière de Schottky. Comme le montre la figure 8, la flexion de la bande lorsqu'un contact est formé après avoir atteint l'équilibre dépend des énergies relatives des fonctions d'extraction du métal (ϕ_M ) et le semi-conducteur (ϕ_B ) Composants. Ce phénomène peut grandement améliorer l'efficacité de séparation des charges, une fois qu'il peut induire la migration directionnelle des électrons photogénérés du semi-conducteur vers le métal. En d'autres termes, cela peut conduire à la génération d'un site de piégeage d'électrons efficace pour supprimer la recombinaison électron-trou [48].

Structure de bande électronique qualitative de nanofeuillets décorés d'Ag

L'activité photocatalytique des nanofeuillets GO et Ag/rGO s'est produite en raison de leur surface élevée et de leur faible énergie de bande interdite. Ainsi Ag/rGO présente une amélioration substantielle de la photo-dégradation du MB et le colorant se dégrade complètement (Fig. 9b) en 120 min. L'équation de pseudo-premier ordre peut être utilisée pour élaborer explicitement sur l'efficacité photocatalytique (Fig. 8a) des échantillons GO et Ag/rGO, en utilisant l'expression suivante.

où Co est la concentration initiale de colorant et C _t est la concentration au moment, k est la constante de vitesse apparente du processus de dégradation qui apparaît dans le graphique d'absorbance (Fig. 9a), c'est-à-dire la valeur de k pour GO est d'environ 0,1300 min ⁻¹ et k augmente extraordinairement en cas d'Ag/rGO (0.1300 min ⁻¹ à 0.7459 min ⁻¹ ). La figure 9c révèle une compression du % de dégradation avec le temps, GO montre une efficacité de 65 % et une augmentation progressive avec la concentration de dopage. Ag/rGO (0.10:1) montre un % de dégradation maximum jusqu'à 100 %, ce qui est probablement dû aux effets synergiques des Ag NPs [49, 50]. Enfin, sur la base de ces résultats dans la présente étude, il peut être suggéré que Ag/rGO est un excellent produit qui peut être utilisé pour la purification de l'eau à partir de colorants organiques.

un Tracé de -ln (Ct/C0) en fonction du temps pour la réduction de colorant. b Graphique du rapport de concentration (C/C₀ ) en fonction du temps. c Dégradation (%) comparaison de tous les échantillons

Conclusion

GO a été obtenu avec succès par la méthode hummers modifiée et rGO a été synthétisé à partir d'un traitement thermique lors de l'insertion d'Ag (2,5, 5, 7,5 et 10 % en poids) par voie hydrothermale. Selon le modèle XRD, le décalage de pic et la diminution de l'espacement d (0,34 à 0,023  nm) indiquent une réaction redox de GO lors du dopage à l'Ag avec une structure cristalline hexagonale ; une augmentation moyenne de la taille des cristallites (4,85 à 15,6  nm) avec substitution d'Ag est observée. Les spectres FTIR ont confirmé le pic de transmission autour de 650 cm ⁻¹ qui est une région d'empreinte digitale de sp ² hybridée la liaison carbone attribuée en tant que vibration de flexion C-H et révèle des informations sur d'autres groupes fonctionnels attachés. Le pic caractéristique attribué à π –π * et n –π * liaison et redshift dans les pics. Il confirme la présence d'Ag telle qu'élucidée par la spectroscopie UV-Vis, une diminution évidente de l'énergie de la bande interdite (4,10 à 3,50  eV) avec un rapport de dopage accru qui a été calculé à l'aide de l'équation de Tauc. Les caractéristiques morphologiques montrent des couches d'empilement de GO et Ag/rGO avec un espacement de réseau de ~ 0,235 nm, une forme sphérique et une taille (10-12  nm) des Ag NP visualisés par HR-TEM. Les atomes de carbone de l'état local sp ² clusters incorporés avec sp ³ matrice, diminution significative du pic en cas de rGO et de sp ² étendu amas de carbone lors du dopage a été confirmé avec les spectres PL. A_1g symétrie dans sp ³ atomes de carbone dans la bande D, sp ² structure hybride qui révèle la symétrie et la cristallisabilité du carbone et introduit la diffusion des phonons E2g d'un atome de carbone et les défauts de surface ont été calculés à l'aide de spectres Raman. L'activité photocatalytique répond à Ag/rGO (0.10:1) et dégrade 100 % de la concentration de MB. Ces résultats suggèrent que le nanocatalyseur préparé ne présente aucun comportement dangereux dans le traitement de l'eau et est un excellent nanocatalyseur pour l'élimination des polluants organiques des eaux usées.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

UV-Vis :

Spectroscopie visible ultra-violet

XRD :

Diffraction des rayons X

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

EDS :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

JCPDS :

Comité mixte sur les étalons de diffraction des poudres