Создание гетероперехода ZnTiO3 / Bi4NbO8Cl с улучшенными фотокаталитическими характеристиками

Аннотация

Создание гетероперехода - эффективная стратегия повышения фотокаталитических характеристик фотокатализаторов. Здесь мы изготовили ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Cl-гетеропереход с улучшенными характеристиками за счет типичного метода механического перемешивания. Скорость разложения родамина (RhB) по гетеропереходу выше, чем у отдельного ZnTiO ₃ или Bi ₄ NbO ₈ Cl при облучении ксеноновой лампой. Объединение ZnTiO ₃ с Bi ₄ NbO ₈ Cl может ингибировать рекомбинацию фотовозбужденных носителей. Повышенная квантовая эффективность была продемонстрирована с помощью откликов переходного фототока (PC), спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), спектров фотолюминесценции (PL) и спектров PL с временным разрешением (TRPL). Это исследование может быть полезно для фотокатализаторов в промышленном применении.

Введение

В последние годы большой интерес вызывает фотокатализ, который уже применяется в областях солнечных элементов, расщепления воды и очистки воды [1,2,3,4]. Сообщалось, что полупроводники на основе оксидов являются активными фотокатализаторами [5], типичным примером которых является TiO ₂ [6, 7], ZnO [8] и так далее. Однако индивидуальный чистый ZnO или TiO ₂ не показывает удовлетворительных фотокаталитических свойств. В частности, ZnTiO ₃ показывает лучшие характеристики в оксидах типа перовскита. ZnTiO ₃ был использован в области газовых сенсоров, фотокатализа и др. [9, 10]. Однако широкая запрещенная зона ZnTiO ₃ (3,1 ~ 3,65 эВ) [9,10,11,12,13] ограничивает использование солнечной энергии. С другой стороны, еще одним ограничивающим фактором является высокая скорость рекомбинации фотогенерируемых зарядов. Необходимо принять меры для повышения его фотокаталитических характеристик. Один из возможных и удобных путей состоит в том, что соединение ZnTiO ₃ с типом узкозонного полупроводника для формирования структуры гетероперехода [14]. Полупроводник с узкой запрещенной зоной может действовать как сенсибилизатор, увеличивая светособирающую способность и фотокаталитические характеристики.

Би ₄ NbO ₈ В поле зрения исследователей появляется многообещающий кандидат для увеличения светособираемости с несколькими достоинствами, включая узкую запрещенную зону (~ 2,38 эВ), слоистую структуру, соответствующий потенциал энергетической зоны [15,16,17]. Благодаря малой ширине запрещенной зоны и слоистой структуре этот материал может поглощать свет с длиной волны менее 520 нм и способствовать переносу заряда [18]. Некоторые гетеропереходы на основе Bi ₄ NbO ₈ Cl был приготовлен, например Bi ₂ S ₃ / Би ₄ NbO ₈ Cl [17] и g-C ₃ N ₄ / Би ₄ NbO ₈ Cl [19]. Следовательно, построение ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Гетеропереход Cl может быть полезной мерой для улучшения фотокаталитических характеристик.

В этом исследовании мы производим серию ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Cl-гетеропереход и оценить фотокаталитические характеристики при разложении RhB под действием ксеноновой лампы. Наши результаты показывают, что характеристики гетероперехода лучше, чем у отдельного компонента. Образование гетероперехода может замедлить комбинацию электронов и дырок, что приводит к повышенной активности деградации RhB. Подробно обсуждается возможный фотокаталитический механизм.

Экспериментальный

Материалы

Оксид висмута (Bi ₂ О ₃ ), этанол (C ₂ H ₆ O), тетрабутилтитанат (C ₁₆ H ₃₆ О ₄ Ti), уксусная кислота (CH ₃ COOH) и нитрат цинка (Zn (NO ₃ ) ₂ • 6H ₂ О) были получены от Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd; оксихлорид висмута (BiOCl) и пятиокись ниобия (Nb ₂ О ₅ ) были получены от Energy Chemical (Шанхай, Китай). Все реактивы, использованные в этой работе, являются аналитическими и не требуют дополнительной очистки.

Подготовка Би ₄ NbO ₈ Cl

Би ₄ NbO ₈ Cl был синтезирован методами смешения в шаровой мельнице и твердофазной реакции. Перемешивание материалов осуществляли в планетарной шаровой мельнице (Grinoer-BM4, Китай), снабженной корундовым размольным стаканом и корундовыми шарами. Би ₂ О ₃ (18 г), BiOCl (12 г) и Nb ₂ О ₅ (6 г) взвешивали и смешивали с использованием этанола (30 мл) в качестве раствора для диспергирования в размольном сосуде, добавляли пятьдесят шаров (диаметром 10 мм) и затем измельчали в шаровой мельнице в течение 2 часов при 300 об / мин. После измельчения смешанные реагенты сушили при 60 ° C в течение 12 ч и прокаливали при 600 ° C (скорость нагрева 5 ° C / мин) на воздухе в течение 10 ч. Наконец, желтые порошки Bi ₄ NbO ₈ Cl были получены.

Приготовление ZnTiO ₃

Золь-гель методика была использована для получения ZnTiO ₃ пудра. При обычном синтезе 34 мл тетрабутилтитаната (0,1 моль) растворяли в 35 мл этанола с образованием раствора A. Пять миллилитров деионизированной воды, 15 мл уксусной кислоты (CH ₃ COOH) и некоторое количество Zn (NO ₃ ) ₂ • 6H ₂ O последовательно растворяли в 35 мл этанола с образованием раствора B. Затем раствор B добавляли по каплям к раствору A при перемешивании магнитной мешалкой. После добавления при перемешивании в течение 30 минут получали прозрачный золь, который образовывал гель в течение периода покоя, равного 24 часам. Гель сушили при 105 ° C в течение 12 часов, а затем полученный продукт прокаливали при 600 ° C в течение 3 часов при скорости нагревания 2 ° C / мин для получения конечного ZnTiO ₃ порошки.

Подготовка ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Cl-гетеропереход

В типичном эксперименте 400 мг Bi ₄ NbO ₈ Cl и некоторое количество ZnTiO ₃ (массовое соотношение ZnTiO ₃ :Би ₄ NbO ₈ Cl =10%, 20%, 30%) смешивали и измельчали в течение 10 минут, затем диспергировали в 10 мл этанола и затем обрабатывали ультразвуком в течение 30 минут. Полученные смеси сушили при 60 ° C в течение 12 часов, а затем прокаливали при 300 ° C в течение 2 часов. Образцы в заводском состоянии были обозначены как 10% BNZ, 20% BNZ и 30% BNZ.

Характеристика

Измерения дифракции рентгеновских лучей на порошке (XRD) регистрировали с помощью XRD-спектрометра D-max 2500 (Rigaku), диапазоны сканирования составляли 10–80 ° со скоростью 10 ° / мин. Морфология полученных образцов была охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, JSM-6700F, JEOL, Япония) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM, JEM-2100, JEOL, Япония). Энергодисперсионная спектроскопия и анализ элементного картирования были получены с помощью рентгеновского спектрометра, оборудованного сканирующим электронным микроскопом. Спектры диффузного отражения в УФ-видимой области (УФ-видимый DRS) были получены с использованием спектрофотометра Agilent Technologies Cary 5000 с интегрирующей сферой, в которой BaSO ₄ порошок использовался в качестве эталона. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) и временного разрешения нестационарного затухания ФЛ регистрировались на флуоресцентных спектрофотометрах Hitachi FL-4600 и Edinburgh FLS1000 с длиной волны возбуждения 365 нм соответственно.

Фотокаталитический экспериментальный

Фотодеградацию RhB исследовали как модельную реакцию для оценки фотокаталитических характеристик образцов. Пятьдесят миллиграммов фотокатализатора диспергировали в 50 мл раствора RhB (5 мг / л) в кварцевом фотореакторе. Источником света служила ксеноновая дуговая лампа мощностью 500 Вт, расположенная на расстоянии 15 см от реактора. Первоначально смесь выдерживали в темноте в течение 30 мин при перемешивании на магнитной мешалке для достижения адсорбционно-десорбционного равновесия. Позже отбирали аликвоты суспензии (4 мл) и центрифугировали с заданными интервалами времени 30 мин. Концентрацию красителя анализировали на спектрофотометре Agilent Technologies Cary 5000.

Для сравнения определенное количество Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ (массовое соотношение ZnTiO ₃ :Би ₄ NbO ₈ Cl =20%) добавляли непосредственно в кварцевый фотореактор для проведения эксперимента по оценке фотокаталитической активности. Результат этого образца был назван как 20% BNZ-C («C» означает сравнение).

Процесс эксперимента с захватывающим агентом такой же, как и при оценке фотокаталитической активности, только что добавлено соответственно 40 мкл изопропанола (IPA) в качестве акцептора гидроксильных радикалов, 0,005 г п-бензохинона (BQ) в качестве акцептора супероксидных радикалов, 0,0158 г динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты. (EDTA-2Na) в качестве агента, улавливающего дырки, и 0,078 г бромата калия (KBrO ₃ ) в качестве агента захвата электронов.

Электрохимические измерения

Фотоэлектрохимические свойства измеряли на электрохимической системе CHI760E (Шанхай, Ченхуа, Китай) в стандартном трехэлектродном электроде с нанесенным катализатором стеклом FTO, платиной Pt и электродом Ag / AgCl в качестве фотоанода, противоэлектрода и электрода сравнения соответственно. Между тем, 0,5 М Na ₂ SO ₄ использовался как раствор электролита. Измерения переходного фототока проводились с использованием Xe-лампы мощностью 500 Вт в качестве источника света. Измерение Мотта-Шоттки проводилось на частоте 1000 Гц. Рабочие фотоаноды готовили следующим образом:образец массой 30 мг, 300 мкл раствора смеси хитозана (1% масс.) И уксусной кислоты (1% масс.) Смешивали при перемешивании в течение 20 мин до образования суспензии. Затем указанную выше смесь добавляли по каплям на стакан FTO (3 × 1 см) и сушили при 40 ° C.

Результаты и обсуждение

Кристаллическую структуру образцов можно было определить по результатам XRD [20], как показано на рис. 1а. Характерные дифракционные пики при 23,7 °, 26,0 °, 29,6 °, 32,6 °, 46,7 ° и 56,3 ° могут быть проиндексированы по (112), (114), (116), (020), (220) и ( 316) плоскости голого Bi ₄ NbO ₈ Cl (карта JCPDS 84-0843). Кристаллические плоскости (220), (311), (400), (422), (511) и (440) хорошо соответствуют кубическому перовскиту ZnTiO ₃ структура (пространственная группа R-3 с константой ячейки a =b =c =0,841 нм, карта JCPDS 39-0190). Картины XRD образцов BNZ аналогичны образцам Bi ₄ NbO ₈ Cl, а также интенсивность дифракционного пика на отражении при 35,4 ° для ZnTiO ₃ увеличивается с добавлением ZnTiO ₃ содержание. Более того, сигналы, связанные с Zn, Ti, Bi, Nb, O и Cl, наблюдаются на картированных изображениях EDX (рис. 1d) ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Cl гетеропереход.

а Картины XRD ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Образцы Cl, BNZ; СЭМ-изображения b Би ₄ NbO ₈ Cl, c ZnTiO ₃ , d СЭМ-изображение и картографические изображения EDX для 20% BNZ

Морфология ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Образцы Cl и BNZ исследованы методом сканирующей электронной микроскопии. На рисунке 1b показано, что ZnTiO ₃ Образец представляет собой нерегулярную блочную структуру микронного масштаба. Безупречный Bi ₄ NbO ₈ Продукты Cl состоят из частиц неправильной формы эллипсоида, в которых наблюдается многослойная структура из-за слипания частиц друг с другом, как видно на рис. 1c. Что касается 20% соединения BNZ (рис. 1d), можно обнаружить, что ZnTiO ₃ раздроблены и прикреплены к поверхности Bi ₄ NbO ₈ Cl после измельчения, ультразвукового перемешивания и прокаливания.

На рисунке 2 показаны изображения ПЭМ и ВРЭМ образца 20% BNZ, а также шаблон быстрого преобразования Фурье (БПФ) и изображение обратного БПФ (ОБПФ) соответствующих выбранных областей. Можно четко заметить, что существует тесный интерфейсный контакт между ZnTiO ₃ блоки и Bi ₄ NbO ₈ Блоки Cl (рис. 2а). Обозначается красным каркасом на рис. 2b, измеренная полоса решетки 0,375 нм соответствует Bi ₄ NbO ₈ Кристаллическая плоскость Cl (112) и соответствующие ей БПФ и ОБПФ показаны на рис. 2с. Как показано на рис. 2b, измеренные полосы решетки 0,301 нм и 0,293 нм хорошо согласуются с Bi ₄ NbO ₈ Кристаллическая плоскость Cl (116) (зеленые области) и ZnTiO ₃ (311) плоскость кристалла (оранжевые области) и их изображения БПФ и ОБПФ показаны на рис. 2d и рис. 2e, соответственно. Анализ HRTEM показывает, что Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ хорошо сочетаются.

а , b ПЭМ- и ВРТЭМ-изображения 20% BNZ; c IFFT и FFT изображения Bi ₄ NbO ₈ Плоскости кристалла Cl (112); г IFFT и FFT изображения Bi ₄ NbO ₈ Плоскости кристалла Cl (116); е Изображения IFFT и FFT ZnTiO ₃ (311) кристаллические плоскости

Фотокаталитические характеристики чистого Bi ₄ NbO ₈ Cl, ZnTiO ₃ , и гетеропереходы BNZ оценивали по деградации водного раствора красителя RhB под действием ксеноновой лампы. Как показано на рис. 3а, скорость адсорбции RhB для всех образцов составляет 0–11% в темноте. После воздействия света в течение 5 ч скорость разложения чистого Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ составляют 89% и 61% соответственно. Более того, композиты BNZ демонстрируют улучшенную фотокаталитическую активность, а эффективность удаления красителя увеличивается с увеличением ZnTiO ₃ содержимое сначала, а затем производительность фоторазложения немного снижается, когда ZnTiO ₃ содержание увеличилось с 20 мас.% до 30 мас.%. Композит с 20% BNZ проявляет наивысшую фотокаталитическую активность со степенью разложения почти 100%. Что касается 20% BNZ-C, степень удаления RhB составляет 81% через 5 часов реакции. Двадцать процентов BNZ показали более высокие фотокаталитические характеристики благодаря эффективному разделению носителей после образования гетероперехода.

а Эффективность фотокаталитического разложения RhB с ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Гетеропереходы Cl и BNZ при облучении ксеноновой лампой; б циклические пробеги 20% BNZ; c изменение УФ-видимых спектров поглощения RhB 20% BNZ при облучении ксеноновой лампой; г результаты экспериментов по улавливанию 20% БНЗ при облучении ксеноновой лампой

Возможность вторичного использования фотокатализаторов также является важным аспектом их практического применения. Циклические эксперименты по удалению красителя RhB проводили в тех же условиях для исследования возможности повторного использования 20% образцов BNZ, как показано на рис. 3b. После четырех повторных экспериментов фотокаталитическая активность просто немного снизилась, что указывает на то, что 20% BNZ является стабильным фотокатализатором разложения RhB. На рис. 3в показаны изменения в спектрах поглощения RhB в УФ-видимой области при использовании 20% BNZ:при увеличении времени облучения интенсивность характерного пика уменьшается. Кроме того, положение пика поглощения сместилось с 554 до 499 нм во время фотокаталитической реакции. Этот синий сдвиг максимума поглощения вызван N -деэтилирование RhB [21,22,23].

Для выяснения основных активных частиц, ответственных за деградацию RhB 20% композитом BNZ, были проведены эксперименты по улавливанию. Динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA-2Na), бромат калия (KBrO ₃ ), бензохинон (BQ) и изопропанол (IPA) действуют как поглотители дыр (h ⁺ ), электрон (e ^- ), супероксидный радикал (• O ₂ ^- ) и гидроксильный радикал (• OH) соответственно. Как показано на фиг. 3d, на скорость фотодеградации серьезно влияет добавление EDTA в фотокаталитическую реакционную систему, а при добавлении BQ или IPA фотокаталитическая активность немного подавляется. Следовательно, h ⁺ были основными доминирующими реактивными частицами, а • O ₂ ^- или • ОН участвовал в процессе деградации RhB в системе с 20% BNZ.

Как показано на фиг. 4a, переходные фототоковые характеристики готовых фотокатализаторов были измерены под световым облучением с прерывистыми циклами включения-выключения для оценки производства и миграции фотогенерированных носителей. Чем выше интенсивность фототока, тем сильнее генерирующая способность фотогенерированных носителей [24, 25]. Плотность фототока выше на свету, чем в темноте, и отображается типичный циклический режим включения-выключения. Интенсивности отклика фототока подчиняются следующему порядку:20% BNZ> 30% BNZ> 10% BNZ> Bi ₄ NbO ₈ Cl> ZnTiO ₃ . Это означает, что производственная способность фотогенерированных носителей 20% БНЗ является наилучшей. Явно повышенная плотность фототока образца 20% BNZ может быть связана с предполагаемым контактом в гетеропереходе, который способствует генерации, разделению и передаче заряда. Кроме того, спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) была использована для изучения способности межфазного переноса заряда катализаторов. Чем меньше радиус дуги на графиках EIS Найквиста, тем меньше сопротивление переносу заряда [26]. Из результатов (рис. 4b) можно заметить, что 20% BNZ демонстрируют наименьшую полукруглую дугу, что указывает на то, что 20% BNZ обладают меньшим сопротивлением переносу, и процесс переноса заряда происходит очень быстро по сравнению с другими, поскольку -подготовленные образцы. Для исследования рекомбинационного поведения фотогенерированных носителей заряда были получены спектры ФЛ (рис. 4в) с длиной волны возбуждения 365 нм при комнатной температуре [27]. По сравнению с голым Bi ₄ NbO ₈ Cl, интенсивность ФЛ свежеприготовленного 20% BNZ ниже, что указывает на более низкую скорость рекомбинации фотогенерированных носителей. Эти результаты означают, что введение ZnTiO ₃ может эффективно заселять рекомбинацию фотогенерируемых электронов (e ^- ) и дырки (h ⁺ ). Как показано на рис. 4d, спектры ФЛ с временным разрешением могут предоставить информацию о времени жизни фотовозбужденных носителей. Кривые затухания фотолюминесценции образцов с временным разрешением были аппроксимированы уравнением. (1):

$$ I (t) ={A} _1 {e} ^ {\ frac {-t} {\ tau_1}} + {A} _2 {e} ^ {\ frac {-t} {\ tau_2}} $$ (1)

а Переходные реакции фототока ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Образцы Cl и BNZ. б Электрохимическая импедансная спектроскопия ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Cl и 20% BNZ. c Спектры фотолюминесценции ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Образцы Cl и BNZ. г Спектры ФЛ Bi ₄ с временным разрешением NbO ₈ Cl и 20% BNZ

Где τ ₁ и τ ₂ - константа быстрого распада (более короткое время жизни) и более медленная константа распада (длительное время жизни), соответственно. А ₁ и A ₂ - соответствующие амплитуды. Среднее время жизни было рассчитано по формуле. (2) [17]:

$$ \ uptau =\ frac {A_1 {\ tau} _1 ^ 2 + {A} _2 {\ tau} _2 ^ 2} {A_1 {\ tau} _1 + {A} _2 {\ tau} _2} $$ (2 )

Средний срок службы 20% BNZ короче, чем Bi ₄ NbO ₈ Cl (τ _BiNb =3,66 нс и τ _{20% BNZ} =2,72 нс). τ значение уменьшено с 3,66 до 2,72 после изменения ZnTiO ₃ , что указывает на то, что образование гетероперехода может улучшить эффективность переноса носителей и способствовать разделению фотогенерированных электронов и дырок [28,29,30].

Спектры диффузного отражения (СПО) Bi ₄ NbO ₈ Cl, ZnTiO ₃ , и 20% BNZ были измерены в диапазоне 300–800 нм для изучения их оптических свойств. Как показано на рис. 5а, можно обнаружить, что край поглощения ZnTiO ₃ составляет 375 нм, а Bi ₄ NbO ₈ Cl имеет интенсивную полосу поглощения с крутым краем поглощения около 505 нм. Кроме того, край поглощения 20% BNZ составляет около 510 нм. Кроме того, ширина запрещенной зоны (Eg) полупроводников может быть рассчитана по уравнению Таука (αhv) ⁿ =A (hv - Eg), где Eg, A , α , h , и v - ширина запрещенной зоны, постоянная поглощения, коэффициент поглощения, постоянная Планка и частота света соответственно [31]. Кроме того, n представляет собой материал с прямым переходом ( n =2) или материал непрямого перехода ( n =1/2). Как мы все знаем, оба Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ являются полупроводниками с непрямым переходом, поэтому n равно 4. Как показано на фиг. 5b, значения ширины запрещенной зоны исходного Bi ₄ NbO ₈ Cl, ZnTiO ₃ , и образцы с 20% BNZ составляют 2,33 эВ, 3,10 эВ и 2,31 эВ соответственно.

а Спектры DRS ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Cl, проба 20% BNZ. б Кривые такуса ZnTiO ₃ , Bi ₄ NbO ₈ Cl, проба 20% BNZ. c Кривые Мотта – Шоттки ZnTiO ₃ и Bi ₄ NbO ₈ Cl

Потенциал зоны проводимости (CB) и потенциал зоны валентности (VB) являются важнейшими факторами для понимания механизма образования гетеропереходов и электронного переноса нанокомпозитов. Известно, что низ КБ близок к положению плоской полосы; таким образом, тесты Мотта – Шоттки были проведены для оценки потенциала плоской полосы (E _fb ) образцов [32]. Соответствующий потенциал плоской зоны электрода был получен из графиков M-S с использованием следующих уравнений. (3) и (4) [31, 33]:

$$ \ mathrm {For} \ \ mathrm {an} \ \ mathrm {n} - \ mathrm {type} \ \ mathrm {semiconductor} \ frac {1} {C ^ 2} =\ frac {2} {e \ varepsilon {\ varepsilon} _o ND} \ left (E- {E} _ {fb} - \ frac {KT} {e} \ right) $$ (3) $$ \ mathrm {For} \ \ mathrm {an} \ \ mathrm {p} - \ mathrm {type} \ \ mathrm {semiconductor} \ frac {1} {C ^ 2} =\ frac {2} {e \ varepsilon {\ varepsilon} _0 NA} \ left (E- {E} _ {fb} - \ frac {KT} {e} \ right) $$ (4)

где ε , ε _о , e , C , E , E _fb , К , Т , N _D , и N _A представляют собой диэлектрическую проницаемость материалов, диэлектрическую проницаемость свободного пространства, заряд электрона (1,60 × 10 ⁻¹⁹ C), емкость области пространственного заряда, приложенная к потенциалу, потенциал плоской зоны, постоянная Больцмана, абсолютная температура, донорная и акцепторная плотность соответственно. Как показано на рис. 5c, на всех графиках наблюдаются положительные наклоны, которые четко подтверждают, что образцы в исходном состоянии ведут себя как полупроводники n-типа [34, 35]. Потенциал плоской полосы можно измерить от точки пересечения кривой линейного потенциала до точки X . -ось в точке 1 / C ² =0, и можно преобразовать в нормированную шкалу водородного электрода (NHE) по формуле (5) [36]:

$$ E \ left (\ mathrm {NHE} \ right) =E \ left (\ mathrm {Ag} / \ mathrm {AgCI} \ right) +0.197 \ mathrm {V} $$ (5)

Согласно результатам M-S, потенциал плоской полосы для Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ составляет -0,60 эВ и -0,40 эВ (относительно Ag / AgCl) соответственно. Соответственно, E _CB из Би ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ составляет - 0,403 эВ и - 0,203 эВ соответственно. Таким образом, E _VB из Би ₄ NbO ₈ Cl составляет 1,927 эВ, а E _VB из ZnTiO ₃ составляет 2,897 эВ.

Удельные площади поверхности по БЭТ Bi ₄ NbO ₈ Cl, ZnTiO ₃ и 20% BNZ показаны в таблице 1. S _BET 20% BNZ составляет 0,87 м ² / г больше S _BET из Би ₄ NbO ₈ Cl. Из Таблицы 1 видно, что S _BET из ZnTiO ₃ составляет 5,34 м ² /г. Повышенная S _BET 20% BNZ связано с введением ZnTiO ₃ . Возможность использовать свет ZnTiO ₃ является слабым из-за его широкой запрещенной зоны. Следовательно, увеличенная S _BET не может предоставить много эффективных активных сайтов. Напротив, ZnTiO ₃ может охватывать активные сайты Bi ₄ NbO ₈ Поверхность Cl или становится новыми центрами рекомбинации электронов и дырок. Таким образом, увеличенная S _BET 20% BNZ может лишь незначительно повлиять на улучшенные фотокаталитические характеристики. Повышение производительности в основном связано с образованием гетероперехода.

Чтобы объяснить улучшенные фотокаталитические характеристики, на схеме 1 предлагается возможный фотокаталитический механизм. При облучении ксеноновой дуговой лампой электроны (e ^- ) генерируются в Bi ₄ NbO ₈ Cl, и они передаются из VB в CB, оставляя соответствующие дыры (h ⁺ ) на VB. Между тем тот же процесс происходит в ZnTiO ₃ . Путем сравнения потенциала энергетической зоны Bi ₄ NbO ₈ Cl и ZnTiO ₃ , E _CB (Би ₄ NbO ₈ Cl) более отрицательный, чем E _CB (ZnTiO ₃ ) и E _VB (ZnTiO ₃ ) положительнее, чем E _VB (Би ₄ NbO ₈ Cl). Следовательно, они могут образовывать гетеропереход II типа. Из-за внутреннего электрического поля e ^- на ЦБ Bi ₄ NbO ₈ Cl переносится в CB ZnTiO ₃ , и h ⁺ на VB ZnTiO ₃ передается в VB из Bi ₄ NbO ₈ Cl, реализуя разделение фотовозбужденных e ^- -h ⁺ пары, что приводит к повышению производительности. Поскольку 20% BNZ имеет высокий положительный потенциал VB, его дырки обладают высокой окислительной способностью. Следовательно, дырки на VB могут напрямую окислять органические загрязнители, такие как RhB. Однако чрезмерное соотношение ZnTiO ₃ в гетеропереходе BNZ будут перекрывать активные центры Bi ₄ NbO ₈ Поверхность Cl, снижая ее светособирательную способность. Кроме того, чрезмерное соотношение ZnTiO ₃ могут стать новыми центрами рекомбинации электронов и дырок. Следовательно, количество ZnTiO ₃ имеет оптимальное значение в гетеропереходе.

Принципиальная схема предлагаемого механизма деградации RhB по ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Фотокатализаторы на гетеропереходе Cl при облучении ксеноновой лампой.

Выводы

В этой работе ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Катализатор с гетеропереходом Cl был успешно приготовлен с помощью типичного метода механического перемешивания. Гетеропереход демонстрирует улучшенные фотокаталитические характеристики по сравнению с индивидуальным ZnTiO ₃ или Bi ₄ NbO ₈ Cl при облучении ксеноновой лампой. В частности, 20% ZnTiO ₃ / Би ₄ NbO ₈ Наилучшими характеристиками обладает гетеропереход Cl. Этот отчет может вдохновить на разработку структуры гетероперехода при модификации и применении катализаторов.