Эффективный одношаговый фото-ультразвуковой синтез rGO/Ag₃PO₄ квантово-точечных композитов для усиленного видимого-фотоctalysis

Аннотация

Мы сообщаем, впервые, оптимизированный одношаговый фото-ультразвук-ассистированный редукционный процесс, дающий восстановленный оксид графена (rGO), декорированный 1–4 нм Ag₃PO₄ квантовыми точками (КТ). Рентгеновская дифракция, ТЭМ, XPS, FT-IR, Раман и UV-vis спектроскопия подтверждают равномерную дисперсию КТ на rGO нанолистах. Фотоctalityческие тесты с метиленовым синим (MB) раскрывают, что композит с 2,3 м.% rGO деградирует 97,5 % MB за 5 мин, превосходя как чистые Ag₃PO₄ КТ, так и rGO/Ag₃PO₄ композиты, приготовленные обычным перемешиванием. Превосходная производительность приписывается синергетическому зарядопереносному разделению на rGO/Ag₃PO₄ интерфейсе и высокой удельной поверхности rGO, облегчающим быстрый электрон-дырочный перенос. Эти находки демонстрируют потенциал rGO/Ag₃PO₄ КТ системы для очистки сточных вод и солнечного водородного эволюционирования.

Введение

Высокоэффективные фотоctalityсты ключевы для удаления органических загрязнителей и генерации водорода. Ag₃PO₄, с его узкой запрещенной зоной и эффективным фото-возбужденным зарядовым разделением, привлекло значительное внимание; однако неправильная морфология, низкая растворимость, нестабильность и высокая стоимость ограничивают его применение. Улучшение Ag₃PO₄ активности опирается на эффективное разделение фотогенерированных электрон-дырочных пар. Квантово-точечное (КТ) уменьшение размера сокращает пути диффузии носителей, таким образом подавляя рекомбинацию и повышая активность. Однако поверхностно-активное вещество-покрытые КТ часто агрегируются, снижая их доступность к загрязнителям. Нанесение КТ на высокоповерхностные носители, такие как восстановленный оксид графена (rGO), смягчает агрегацию, предоставляя отличную электронную проводимость и зарядопереносные пути. rGO, полученный из оксида графена химическим, гидротермальным или химическим осаждением из паровой фазы, предлагает двумерную структуру с выдающимися электронными, механическими и термическими свойствами. Обычные редукционные методы сложны и могут генерировать вторичные отходы. Фото- и ультразвук-ассистированные редукции — более зеленые альтернативы, генерирующие локальные высокие температуры и давления, эффективно восстанавливающие GO в то время как одновременно позволяющие КТ формирование. Доселе нет отчетов о фото-ультразвук-ассистированном синтезе rGO/Ag₃PO₄ КТ композитов.

Экспериментальная секция

Синтез rGO/Ag₃PO₄ КТ

Оксид графена готовили из натурального графита методом Хаммерса. В типичном синтезе 20 мг GO диспергировали в 50 мл воды и ультразвуково обрабатывали 30 мин. Натрий олеат (2,2 ммоль) добавляли и ультразвуково обрабатывали дополнительные 60 мин. После перемешивания 4 ч для ионного обмена, вводили 10 мл 0,6 М AgNO₃, за которым следовало капельное добавление 10 мл 0,2 М Na₂HPO₄ под ультразвуковым облучением. Через 60 мин осадок собирали, промывали гексиловым спиртом и этанолом, и сушили для получения GO/Ag₃PO₄ КТ композитов. 0,3 г аликвота растворяли в 100 мл этанола и подвергали одновременному видимому свету (300 Вт Xe лампа, 420 нм отсечение) и ультразвуку (20 кГц, 10 мм зонд) облучению в течение 60 мин. Полученный продукт, после центрифугирования и сушки при 60 °C, есть rGO/Ag₃PO₄ КТ. Образцы с весовыми соотношениями rGO 1,5; 2,0; 2,3; 2,5 и 3,0 м.% готовили и маркировали R-1,5, R-2, R-2,3, R-2,5 и R-3.

Характеризация материалов

Фазовая идентификация использовала XRD (Cu-Kα, 2θ = 10°–80°). Морфологию изучали ТЭМ (JEOL JEM-2010). Химические состояния анализировали через XPS (PHI Quantera SXM). Вибрационные зонды использовали FT-IR и Раман спектроскопию (Horiba JY-T64000). Оптическое поглощение записывали UV-vis спектрофотометром (Hitachi U-3010). Фотолюминесцентные спектры измеряли на Hitachi FL-4500 спектрофотометре.

Измерение фотоctalityческой активности

Фотоctalityческие тесты использовали 10 мг катализатора в 100 мл 10 ppm MB. После 30 мин темного равновесия суспензия облучалась 300 Вт Xe лампой (λ ≥ 420 нм). Аликвоты забирали каждую минуту первые 6 мин, затем каждые 2 мин. Абсорбция при 664 нм измеряли UV-vis; катализаторы удаляли центрифугированием перед измерением.

Детекция активных видов

Исследования с кавчерами использовали изопропанол (OH·), EDTA (h⁺) и p-бензоквинон (O₂·⁻), каждый ~1 мМ, для идентификации доминирующих реактивных видов при MB деградации.

Результаты и обсуждение

Характеризация материалов

XRD паттерны (рис. 1) показывают характерный GO пик при 10,7° и rGO при 25°. Ag₃PO₄ КТ и R-2,3 демонстрируют пики кубического объемно-центрированного фазы (JCPDS 06-0505). Расширение пиков в R-2,3 указывает на средний размер Ag₃PO₄ КТ ~3,7 нм, меньше 5,1 нм размера Ag₃PO₄ КТ, приготовленных без GO, подтверждая роль GO в контроле размера.

ТЭМ изображения (рис. 2) раскрывают равномерно диспергированные Ag₃PO₄ КТ (2,81 ± 1,2 нм) на rGO листах. По сравнению с образцами, синтезированными обычным перемешиванием, ультразвуковая обработка предотвращает агрегацию и дает более мелкие частицы, подчеркивая важность акустической кавитации.

XPS спектры (рис. 3) подтверждают редукцию GO в rGO и присутствие Ag₃PO₄. O 1s пик сдвигается к более низкой связывающей энергии в R-2,3, указывая на C=O взаимодействие с Ag₃PO₄. C 1s спектры показывают сниженные кислородные функциональности после фото-ультразвуковой редукции.

FT-IR и Раман данные (рис. 4) дополнительно валидируют химическую связь между rGO и Ag₃PO₄ КТ и частичную редукцию GO.

Механизм приготовления

Синтез проходит через (1) Ag⁺-олеат комплекс форматирование, (2) адсорбцию на GO, (3) осаждение Ag₃PO₄ КТ, и (4) одновременную фото- и ультразвук-драйвленную редукцию GO в rGO, с электронным переносом от Ag₃PO₄ к rGO и генерацией водородных радикалов. Этот путь дает стабильную rGO/Ag₃PO₄ КТ гетероструктуру.

Оптические свойства

Диффузно-рефлекторные спектры (рис. 6а) показывают красный сдвиг для rGO/Ag₃PO₄ композитов, пикующий при 2,3 м.% rGO. Анализ запрещенной зоны (рис. 6б) дает уменьшенный зазор 1,62 эВ для R-2,3, по сравнению с 2,23 эВ для чистых Ag₃PO₄, улучшая видимое-световое поглощение.

Фотоctalityческая активность и стабильность

Исследования дозы поверхностно-активного вещества (рис. S3) указывают оптимальную производительность при 0,5 г олеата; избыток поверхностно-активного вещества препятствует КТ дисперсии. Фотоctalityческие тесты (рис. 7а) показывают, что R-2,3 деградирует 97,46 % MB за 5 мин, превосходя все другие образцы. Скоростная константа (k) пикует при 0,057 мин⁻¹ для R-2,3. Рециклирование эксперименты (рис. 7в) демонстрируют >90 % активности после пяти циклов, с XRD подтверждающим структурную целостность (рис. 7г).

Механизм усиленного фотоctalysis

Фотолюминесценция (рис. 8а) указывает на сниженную электрон-дырочную рекомбинацию в R-2,3. Эксперименты с кавчерами (рис. 8б) раскрывают, что дыры и O₂·⁻ радикалы доминируют в деградации процесса, в то время как гидроксильные радикалы играют второстепенную роль. Предлагаемый механизм (рис. 9) включает видимое-световое возбуждение Ag₃PO₄, быстрый электронный перенос к rGO, и последующее окисление MB дырами и супероксидными радикалами, генерируемыми на поверхности композита.

Заключение

Мы разработали легкий, зеленый фото-ультразвук-ассистированный путь для производства rGO/Ag₃PO₄ КТ композитов с превосходной видимого-световой фотоctalityческой активностью. rGO носитель улучшает зарядопереносное разделение и облегчает быстрый электронный перенос, ведущий к высоким деградационным эффективностям и отличной рециклируемости. Эта стратегия предлагает перспективную платформу для экологической ремедиации и солнечно-водородных технологий.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

BQ

p-Бензоквинон

CB

Проводимость зона

CVD

Химическое осаждение из паровой фазы

EDTA

Динатрий этилендиаминтетраацетат

GO

Оксид графена

IPA

Изопропанол

MB

Метиленовый синий

MO

Метил оранжевый

QDs

Квантовые точки

R-1.5, R-2, R-2.3, R-2.5, R-3

rGO содержание 1,5; 2,0; 2,3; 2,5; 3,0 м.%

rGO

Восстановленный оксид графена

RhB

Родамин B

W_composite

Вес композита

W_rGO

Вес графена