Propriétés photocatalytiques sensibles à la lumière visible améliorées des composites de nanofeuillet Ag/BiPbO2Cl

Contexte

Ces dernières années, la pollution de l'environnement est devenue de plus en plus grave. Afin de résoudre le problème des polluants organiques, les matériaux photocatalytiques semi-conducteurs ont été largement adoptés en raison de leurs avantages uniques [1,2,3,4]. ZnO, TiO₂ , et d'autres semi-conducteurs à large bande interdite sont populaires dans la dégradation photocatalytique des polluants organiques [5,6,7,8]. Cependant, les semi-conducteurs à large bande interdite ne peuvent absorber que les rayons ultraviolets, ce qui limite les perspectives d'application de ces catalyseurs. Par conséquent, il est nécessaire de rechercher des matériaux photocatalytiques sensibles aux lumières visibles [9, 10].

Les photocatalyseurs semi-conducteurs à base de bismuth possèdent des caractéristiques structurelles riches et des positions de bandes de valence appropriées, qui peuvent satisfaire les exigences de la décomposition de la matière organique [11, 12]. Parmi eux, BiPbO₂ Cl est considéré comme louable en raison de sa bande interdite étroite, de son champ électrique intégré entre [BiPbO₂ ] et [Cl], et structure de bande hybride [13, 14]. Néanmoins, la vitesse de recombinaison électron-trou rapide limite son application dans le domaine de la photocatalyse.

Il a été rapporté que la combinaison de matériaux photocatalytiques semi-conducteurs avec des métaux nobles ou du graphène peut améliorer leurs propriétés photocatalytiques [15, 16]. En effet, le taux de recombinaison des électrons et des trous photo-générés diminue après la composition. Des métaux nobles, tels que Au, Ag et Pt, ont été utilisés comme accepteurs d'électrons pour séparer l'électron photo-généré et les trous [17, 18].

Dans cet article, l'Ag/BiPbO₂ Le photocatalyseur composite Cl a été synthétisé par méthode hydrothermale et photo-réduction pour améliorer les propriétés photocatalytiques de BiPbO₂ nanofeuillets de Cl. L'Ag/BiPbO₂ préparé Les composites de nanofeuillet de Cl avec 0,5 % en poids d'Ag présentent une activité photocatalytique favorable, qui est 3,6 fois supérieure à celle de BiPbO₂ Nanofeuille de Cl.

Méthodes

Préparation d'Ag/BiPbO₂ Composites de nanofeuilles de Cl

Le BiPbO₂ Les nanofeuillets de Cl ont été préparés par une méthode hydrothermale en une étape comme nous l'avons utilisé auparavant [13]. L'Ag/BiPbO₂ Les composites Cl ont été synthétisés par photo-réduction. Le BiPbO₂ obtenu Cl (1 mmol) a été dispersé dans 20 mL d'eau déminéralisée à l'aide d'une agitation magnétique, puis une quantité appropriée d'AgNO₃ était ajouté. La suspension a ensuite été irradiée avec une lampe Xe de 500 W sous agitation à température ambiante pendant 3 h, la lumière étant coupée en dessous de 420 nm à l'aide d'un filtre cut-off. Les granulés résultants ont été lavés avec de l'eau déminéralisée pour éliminer les matières organiques résiduelles et séchés à l'air à 80 °C pendant 2 h. Afin d'étudier l'effet de la teneur en Ag sur l'activité photocatalytique de BiPbO₂ Cl, les teneurs ajoutées en Ag ont été notées 0,25, 0,5 et 0,75 % en poids.

Activités photocatalytiques

L'activité photocatalytique a été caractérisée dans un instrument de réaction photochimique de la série XPA par une lampe Xe de 500 W avec un filtre de coupure de 420 nm. La caractérisation de l'activité photocatalytique des échantillons a été utilisée par le méthyl orange (MO) comme colorant organique. Au cours du test de performance photocatalytique, 50 mg Ag/BiPbO₂ Des poudres composites de nanofeuillet de Cl ont été ajoutées dans 50 mL de solution aqueuse de MO (10 mg/L) sous agitation continue pendant 1 h dans l'obscurité. Les spectres d'absorption de la solution ont été collectés sur un spectromètre Shimadzu UV-2700.

Caractérisation de l'échantillon

Les diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) de la poudre ont été mesurés sur un diffractomètre à rayons X PANalytical X'Pert Pro avec un rayonnement Cu Kα (1,54178 Å). La morphologie de surface a été obtenue au microscope électronique à balayage (SEM, Hitachi S-4800). La morphologie du microscope électronique à transmission (MET) a été mesurée sur un MET JEOL JEM-2011. Les spectres de réflectance diffuse UV-vis ont été mesurés sur Shimadzu UV-2450. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a été mesurée sur un Pekin Elmer PHI-5300 XPS. Les spectres d'émission de photoluminescence (PL) ont été mesurés sur un Shimadzu RF-5301 avec une longueur d'onde d'excitation à 320 nm.

Résultats et discussion

Activité photocatalytique du BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Les composites Cl ont été évalués avec la dégradation de MO sous illumination de lumière visible (> 420 nm). La concentration du liquide MO est caractérisée par la force d'absorption relative à 464 nm. La figure 1a montre l'activité photocatalytique de la lumière visible du BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Composites Cl. Avant la dégradation, la solution MO contenant le photocatalyseur a été agitée pendant 1 h dans l'environnement sombre pour atteindre l'équilibre d'adsorption. À partir de la figure 1a, on peut conclure que l'efficacité photocatalytique du BiPbO₂ Les composites Cl augmentent avec l'augmentation de la teneur en Ag, atteignant un maximum lorsque la teneur en Ag est de 0,5 % en poids. Cela peut être dû à l'absorption d'électrons photogénérés par Ag, entraînant une diminution du taux de recombinaison électron-trou photogénéré, augmentant ainsi son activité photocatalytique. Au fur et à mesure que la teneur en Ag augmente, son efficacité photocatalytique diminue. Lorsque la teneur en Ag augmente encore, la teneur en BiPbO₂ Cl diminue en conséquence, entraînant une diminution du nombre de porteurs photo-générés et donc de l'activité photocatalytique. La figure 1b montre la cinétique de la réaction photocatalytique du BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Composites Cl. À partir de la figure 1b, nous pouvons déduire que le taux de dégradation du MO sur Ag/BiPbO₂ Composés Cl (0,0158 min ⁻¹ ) est environ 3,6 fois celle du BiPbO₂ Cl (0,0044 min ⁻¹ ).

un Dégradation photocatalytique de MO avec BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Composites Cl. b Cinétique de décoloration MO dans les solutions

Afin d'étudier la morphologie et la microstructure, SEM, TEM et XRD ont été adoptés pour étudier le BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Composites Cl. Sur la figure 2a, on peut voir que BiPbO₂ Cl est présenté sous forme de nanofeuillets, avec une épaisseur d'environ 12 nm. La figure 2b montre la morphologie SEM de 0,5 % en poids Ag/BiPbO₂ composites Cl ; les nanoparticules d'argent sont réparties aléatoirement à la surface de la nanofeuillet BiPbO₂ Cl. Le diamètre des particules d'Ag est d'environ 10 nm. Les images HRTEM (Fig. 2c) révèlent également l'existence d'Ag. L'existence d'Ag est en outre mise en évidence par XPS. La figure 2d montre le XRD de BiPbO₂ Cl et 0,5 % en poids Ag/BiPbO₂ Composites Cl. Par rapport au modèle XRD du BiPbO₂ Cl, le modèle de Ag/BiPbO₂ Les composites Cl n'ont pas de changements évidents, ce qui peut résulter de la faible quantité d'Ag. L'analyse compositionnelle est mesurée par EDS (Fig. 3). Des éléments Bi, Pb, O, Cl et Ag sont observés dans l'échantillon. De plus, les mappages élémentaires EDS indiquent que l'élément Ag est uniformément réparti dans Ag/BiPbO₂ Cl composites.

Le SEM de BiPbO₂ Cl (a ) et 0,5 % en poids Ag/BiPbO₂ Cl composites (b ). c Image MET haute résolution de 0,5 % en poids d'Ag/BiPbO₂ Composites Cl. d XRD des échantillons

Cartographie EDS de l'élément Ag/BiPbO₂ Cl composites

Afin d'étudier l'état chimique de surface de l'échantillon, l'analyse XPS a été adoptée pour étudier l'Ag/BiPbO₂ Composites Cl. Comme le montre la figure 4a, la présence de Bi, Pb, O, Cl et Ag a pu être observée dans le spectre XPS. Comme le montre la figure 4b, les pics de Bi 4f_7/2 et Bi 4f_5/2 se situent respectivement à 159,1 et 164,5 eV, ce qui est cohérent avec la caractéristique de Bi ³⁺ [19, 20]. Les pics de Pb 4f_7/2 et Pb 4f_5/2 sont situés à 137,9 et 142,8 eV (Fig. 4c), ce qui est cohérent avec la caractéristique de Pb ²⁺ [21]. Le pic de O 1s est situé à 529,8 eV, qui appartient à O ²⁻ de la liaison Bi–O (Fig. 4d). Comme le montre la figure 4e, deux pics de Cl 2p se situent à 197,8 et 199,4 eV, ce qui correspond à la caractéristique de Cl ¹⁻ [22]. Comme le montre la Fig. 4f, deux pics de 368,1 et 374,3 eV sont observés, qui correspondent à Ag 3d_3/2 et Ag 3d_5/2 , respectivement. Selon les résultats rapportés par Zhang et al. [23], les pics à 368,6 et 374,6 eV peuvent être attribués à Ag ⁰ .

Les spectres XPS de Ag/BiPbO₂ Composites Cl. un Sondage, b Bi 4f, c Pb 4f, d O 1s, e Cl 2p, et f Ag 3d

Par rapport au BiPbO₂ jaune Les nanofeuillets de Cl, la couleur de l'Ag/BiPbO₂ Les composites Cl deviennent plus foncés avec l'augmentation de la teneur en Ag. Les spectres d'absorption UV-vis de BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Les composites Cl sont illustrés à la Fig. 5a. La forte absorption en dessous d'une longueur d'onde de 600 nm est associée à la bande interdite optique de BiPbO₂ Cl. Après avoir chargé Ag sur la surface de BiPbO₂ Cl, l'absorbance dans la plage de 450 à 800 nm est supérieure à celle du BiPbO₂ pur Cl, qui est dû à l'absorption caractéristique du plasmon de surface causée par le composite d'Ag et de BiPbO₂ Cl [24]. En conséquence, après le chargement d'Ag sur la surface de BiPbO₂ Cl, la plage de réponse à la lumière visible de BiPbO₂ Cl est augmenté. La bande interdite calculée à partir de la figure 5a est illustrée à la figure 5b. Après mélange avec Ag, la bande interdite de BiPbO₂ Cl diminue de 2,05 à 1,68 eV. De plus, les spectres d'émission de photoluminescence de BiPbO₂ Cl et Ag/BiPbO₂ Des composites Cl sont réalisés pour refléter le taux de recombinaison des électrons et des trous photo-générés. Comme le montre la Fig. 5c, l'intensité PL est considérablement diminuée après le chargement d'Ag sur la surface de BiPbO₂ Cl, qui est attribué au transfert rapide d'électrons photo-générés à partir de BiPbO₂ Cl à Ag, conduisant à une réduction du taux de recombinaison des électrons et des trous photo-générés [25].

Les spectres d'absorption UV-vis (a ) et les spectres d'émission de photoluminescence (b ) de BiPbO₂ Cl et 0,5 % en poids Ag/BiPbO₂ Composés Cl (c )

Le principe de la haute activité photocatalytique pour Ag/BiPbO₂ Les composites Cl sont les suivants. Tout d'abord, la plage de réponse de la lumière visible est augmentée par la composition d'Ag et de BiPbO₂ Cl. Deuxièmement, le chargement d'Ag à la surface de BiPbO₂ Cl pourrait générer le champ électromagnétique interne. Lorsque le BiPbO₂ La surface semi-conductrice Cl est en contact avec Ag, une redistribution des porteurs est réalisée. Puisque le niveau de Fermi d'Ag est inférieur à celui de BiPbO₂ Cl [26], les électrons photo-excités sont transférés du BiPbO₂ Cl à Ag jusqu'à ce que leur niveau de Fermi soit le même, formant ainsi le champ intégré, comme le montre la figure 6b. L'électron photo-généré sera transféré rapidement de BiPbO₂ Cl à Ag à l'aide du champ électromagnétique interne et d'une excellente conductivité de Ag. Troisièmement, comme le montre la figure 6a, les électrons générés par BiPbO₂ Cl réduira le O₂ moléculaire pour former le O₂ • espèces actives [27]. De l'autre côté, les trous photo-générés ont tendance à rester à la surface du BiPbO₂ Cl. Et puis, ces trous vont transformer les molécules d'eau à la surface du BiPbO₂ Cl en OH• espèces actives. Sous l'effet de ces espèces actives de O₂ • et OH•, les molécules MO sont décomposées en CO₂ et H₂ O. Ces résultats indiquent que le chargement d'Ag sur la surface de BiPbO₂ Le Cl pourrait produire une activité photocatalytique élevée dans la lumière visible.

un Illustration mécaniste de Ag/BiPbO₂ Composites Cl pour l'activité photocatalytique. b Structure de bande à l'interface de Ag et BiPbO₂ Cl. Les données utilisées pour BiPbO₂ Cl proviennent de la référence [26]

Conclusions

En résumé, Ag/BiPbO₂ très efficace Les composites Cl ont été préparés par synthèse hydrothermale et photo-réduction. Le 0,5 % en poids Ag/BiPbO₂ obtenu Le matériau composite à nanofeuilles de Cl a une meilleure activité photocatalytique, qui est 3,6 fois supérieure à celle du BiPbO₂ nanofeuillets de Cl. Après BiPbO₂ Les nanofeuillets de Cl et Ag sont composites, la plage de réponse de la lumière visible augmente et le taux de recombinaison électron-trou diminue, améliorant ainsi les propriétés photocatalytiques de la lumière visible. L'excellente propriété photocatalytique de Ag/BiPbO₂ Les composites Cl sont attribués au champ électromagnétique interne, à une plage de réponse à la lumière visible plus élevée, à une excellente conductivité et à un niveau de Fermi inférieur d'Ag.

Abréviations

DRS :

Spectroscopie à réflexion diffuse

MO :

Orange de méthyle

TEM :

Microscope électronique à transmission

XRD :

Diffraction des rayons X