Dégradation photocatalytique améliorée de Rhodamine B utilisant nanocomposites SrTiO3/Bi5O7I : fabrication, caractérisation, insights mécanistiques

Résumé

Nous rapportons une voie de décomposition thermique pour synthétiser des nanocomposites SrTiO₃/Bi₅O₇I combinant nanoparticules pérovskite SrTiO₃ avec nanobâtonnets tétragonaux Bi₅O₇I. DRX, XPS, MEB, EDS, FTIR, DRS, et analyses PL confirment pureté de phase, formation hétérojonction intime, et séparation de charge efficace. Sous irradiation solaire simulée, le composite 30 % massique SrTiO₃/Bi₅O₇I atteint 89,6 % élimination Rhodamine B (RhB) en 150 min — 3,97× plus que Bi₅O₇I pur et 12,5× plus que SrTiO₃. •O₂⁻ et trous dominent le processus oxydatif, tandis que données PL révèlent recombinaison supprimée. L'étude élucide un mécanisme hétérojonction type-Z pilotant la photocatalyse supérieure, offrant un plan pour photocatalyseurs haute performance lumière visible.

Contexte

Contaminants colorants effluents textiles posent risques écologiques et sanitaires sévères, motivant recherche méthodes remédiation vertes rentables. Adsorption conventionnelle, coagulation, procédés oxydation avancée souffrent souvent coûts opérationnels élevés et déchets secondaires. Photocatalyse semi-conducteur, surtout sous lumière solaire, émerge alternative prometteuse due source énergie renouvelable et sous-produits minimaux. TiO₂ reste photocatalyseur référence, pourtant son gap large limite activité lumière visible et favorise recombinaison rapide électron-trou. Stratégies récentes impliquent modification surface ou couplage semi-conducteurs pour améliorer absorption lumière et séparation charge.

Bi₅O₇I, un oxyiodure type-p, exhibe bande de valence relativement haute générant trous oxydants forts, mais souffre faible efficacité transfert charge. Couplage avec SrTiO₃ type-n, pérovskite thermiquement stable avec alignement bande adapté, peut former hétérojonction efficace facilitant migration électrons et réduisant recombinaison. Ce travail pionnier synthèse nanocomposites SrTiO₃/Bi₅O₇I et évalue performance photocatalytique et mécanisme sous-jacent.

Méthodes

Préparation composites SrTiO₃/Bi₅O₇I

Nanoparticules SrTiO₃ et précurseurs SrTiO₃/BiOI d'abord préparés via voie sol-gel. Composites ensuite soumis décomposition thermique (rampe 5 °C min⁻¹ à 500 °C, maintien 3 h, refroidissement naturel) pour produire nanocomposites SrTiO₃/Bi₅O₇I avec chargements SrTiO₃ variables (10–40 % massique).

Caractérisation

Analyse phase : DRX (Cu Kα). Morphologie et cartographie élémentaire : MEB-FEG avec EDS. Chimie surface : XPS. Absorption optique : UV-vis réflectance diffuse (DRS). Recombinaison charge : spectroscopie PL. Groupes fonctionnels : FTIR.

Évaluation photocatalytique

Activité photocatalytique mesurée par dégradation RhB sous lampe Xe 500 W (lumière solaire simulée). 100 mg catalyseur dispersé dans 100 mL RhB 20 mg L⁻¹, agité 30 min noir (équilibre adsorption), puis irradié. Toutes 30 min, aliquotes 3 mL centrifugées, concentration RhB quantifiée par spectroscopie UV-vis.

Résultats et discussion

Analyse DRX

SrTiO₃ pur exhibait pics pérovskite attendus (JCPDS 35‑0734). Bi₅O₇I montrait réflexions tétragonales caractéristiques (JCPDS 10‑0548). Composite 30 % massique affichait superposition deux motifs sans phases secondaires, confirmant formation hétérojonction réussie.

Analyse XPS

Balayages survey révélaient Ti, Sr, Bi, I, O. Spectres cœur confirmaient Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺, I⁻, et pic O 1s scindé en composantes réseau et lacunes oxygène, indiquant lacunes oxygène aidant transport charge.

MEB & EDS

Particules SrTiO₃ sphériques (50–300 nm). Nanobâtonnets Bi₅O₇I (100–300 nm × 80 nm) enveloppaient particules SrTiO₃, créant contact intime. EDS confirmait contenu 30 % massique SrTiO₃.

Propriétés optiques

DRS montrait bord UV 380 nm pour SrTiO₃ et bord lumière visible 520 nm pour Bi₅O₇I. Composite absorbait fortement 480–520 nm, améliorant récolte lumière visible. Gaps bandes calculés : 3,2 eV (SrTiO₃), 2,31 eV (Bi₅O₇I), 2,38 eV (composite 30 %).

Activité photocatalytique

Sous lumière solaire simulée, composite 30 % atteignait 89,6 % élimination RhB en 150 min, surpassant deux matériaux purs. Constante vitesse apparente (k_app) = 1,45 × 10⁻² min⁻¹, 12,5× plus SrTiO₃ et 2,97× plus Bi₅O₇I. Tests réutilisabilité 5 cycles montraient perte activité négligeable, confirmant stabilité structurale.

Insights mécanistiques

Études piégeage révélaient •O₂⁻ et trous espèces oxydantes dominantes ; radicaux hydroxyle rôle négligeable. Spectres PL affichaient émission markedly réduite pour composite, indiquant recombinaison électron-trou supprimée. Positions bandes calculées (E_VB = 2,92 eV Bi₅O₇I, 2,03 eV SrTiO₃) supportent hétérojonction type-Z : électrons flux SrTiO₃ vers Bi₅O₇I, trous migrent opposément, pilotant séparation charge efficace et génération •O₂⁻.

Conclusions

Nous avons conçu nanocomposites SrTiO₃/Bi₅O₇I via décomposition thermique simple donnant hétérojonction type-Z robuste. Composite 30 % délivre dégradation photocatalytique supérieure RhB sous lumière solaire simulée, attribuée à absorption lumière visible améliorée et séparation charge efficace. Ces résultats fournissent voie évolutive pour photocatalyseurs haute performance applicables traitement eaux usées et au-delà.