Усиленное фотокаталитическое деградация Родамина B с помощью тернарного нанокомпозита ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ под имитированным солнечным светом

Аннотация

Высокоэффективный тернарный фотокатализатор был спроектирован интеграцией серебряного ортофосфата (Ag₃PO₄), аттапульгита (ATP) и TiO₂. Полученная гетероструктура способствует эффективному разделению фотогенерированных электронов и дырок, заметно усиляя фотокаталитическую производительность. Структурный анализ через SEM, XRD и UV-vis диффузное отражение подтвердил латчастую частицу морфологию и присутствие всех трех компонентов. По сравнению с бинарными композитами, ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ достиг превосходной деградации Родамина B (RhB) под имитированным солнечным облучением, в то время как одновременно улучшал стабильность Ag₃PO₄ и снижал его необходимое количество. Эта работа предлагает практический чертеж для проектирования Ag-базированных фотокатализаторов с более низкой стоимостью и более высокой долговечностью.

Введение

Органические загрязнители представляют стойкую угрозу экологическому здоровью, и фотокаталитическая деградация возникла как перспективная, экологически безвредная стратегия ремедиации. С открытия Фужимы TiO₂-драйв водородообразования в 1972 году TiO₂ широко изучался за его химическую стабильность, нетоксичность и низкую стоимость. Однако его широкая запрещенная зона (3,2 эВ) ограничивает видимо-световое поглощение, сдерживая практическую эффективность.

В отличие от этого, полупроводники такие как Ag₃PO₄, Bi₂MoO₆, WO₃ и g-C₃N₄ демонстрируют сильную видимо-световую активность. Ag₃PO₄ в частности обеспечивает высокую фотооксидационную производительность, но страдает от плохой фотостабильности из-за восстановления Ag⁺ к металлическому Ag и высокой стоимости материала. Многочисленные композитные стратегии (например, TiO₂/Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/графен) преследовались для смягчения этих недостатков.

Аттапульгит (ATP) — стержневидный, гидратированный магнезий-алюминиевый силикат с высокой удельной площадью и отличной адсорбционной способностью. Его стержневая морфология делает его привлекательным скелетом для крепления фотокаталитических наночастиц, однако тернарные ATP-базированные композиты остаются недостаточно изученными.

В этом исследовании мы синтезировали ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ тернарный нанокомпозит простым двухэтапным маршрутом. Комплексная характеристика раскрыла надежную гетероструктуру, которая не только улучшает разделение зарядов, но и стабилизирует Ag₃PO₄ и снижает использование серебра, достигая быстрой деградации RhB под имитированным солнечным светом.

Экспериментальная секция

Материалы

ATP нановолокна (средний диаметр <100 нм, длина <1 мкм) поставлялись Jiangsu Qingtao Energy Science and Technology Co., Ltd. Родамин B (RhB, A.R.), EDTA динатриевой соль, терт-бутанол, стеарил триметил аммоний хлорид, нитрат серебра и дигидрофосфат динатрия дигидрата получены от Macklin. TiO₂ анатаз наночастицы (5–10 нм, 99,8% чистоты) получены от Aladdin.

Синтез образцов

Тернарный композит фабриковали в два этапа. Сначала ATP наностержни и TiO₂ наночастицы (массовое соотношение 5:2) диспергировали в деионизированной воде и перемешивали 4 ч, позволяя TiO₂ адсорбироваться на поверхности ATP. После центрифугирования, промывки и сушки при 60 °C в течение 6 ч получали ATP/TiO₂. Затем Ag₃PO₄ наночастицы осаждали на ATP/TiO₂ простой ко-осадкой: 20 мл 0,1 M AgNO₃ смешивали с 0,7 г ATP/TiO₂ в 50 мл воды под ультразвуком 30 мин; затем 20 мл 0,1 M Na₂HPO₄ капали каплями в темноте 40 мин. Полученный светло-желтый осадок центрифугировали, промывали абсолютным этанолом и сушили при 60 °C 12 ч, получая ATP/TiO₂/Ag₃PO₄. Аналогичные процедуры производили Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/ATP, Ag₃PO₄/TiO₂ и ATP/TiO₂ образцы.

Характеристика

XRD данные собирали на Rigaku D/max-RB дифрактометре (40 кВ, 30 мА). SEM изображение выполняли на INSPECTF FEI инструменте. UV-vis диффузные рефлектные спектры записывали на Hitachi U-3010 спектрофотометре с BaSO₄ как референс.

Фотокаталитический эксперимент

Фотокаталитическая деградация RhB (5 мг л⁻¹) проводили под имитированным солнечным облучением с использованием 300 Вт Xe лампы (150 мВт см⁻²). 50 мг ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ добавляли к 100 мл RhB раствору и перемешивали в темноте 40 мин для достижения адсорбционно-десорбционного равновесия. При включении лампы аликвоты (4 мл) забирали через установленные интервалы, центрифугировали (10 000 об/мин, 10 мин) и анализировали UV-vis спектроскопией (λmax=554 нм). Эффективность деградации рассчитывалась как %D = (1–A/A₀) × 100%.

Результаты и обсуждение

Характеристика ATP-Ag₃PO₄-TiO₂ композитов

Рис. 1 подтверждает кристаллическую целостность каждого компонента: ATP соответствует JCPDS #21–0958 (монононический), TiO₂ показывает анатаз пики, Ag₃PO₄ соответствует JCPDS #06–0505. Никакие примесные фазы не появляются в композитах, указывая на успешную фабрикацию. В тернарном паттерне (Рис. 1g) ATP пики слабые, предполагая, что TiO₂ и Ag₃PO₄ наночастицы покрывают ATP стержни.

SEM изображения (Рис. 2) раскрывают ATP как суб-микронные стержни (<1 мкм) с <100 нм диаметром. TiO₂ наночастицы (~40 нм) равномерно прикрепляются к поверхностям ATP, формируя ATP/TiO₂. В тернарном композите стержни полностью покрыты как TiO₂, так и ~50 нм Ag₃PO₄ сферами, производя латучастую частицу архитектуру, максимизирующую интерфейсный контакт.

Абсорбционные спектры

UV-vis спектры (Рис. 3a) показывают Ag₃PO₄ поглощение до ~500 нм, TiO₂ поглощает только в UV, и ATP имеет слабое поглощение. Тернарный композит объединяет эти черты, давая сильное UV поглощение от TiO₂ и ATP и расширенное видимо-световое отклик от Ag₃PO₄. Энергии запрещенной зоны извлекали из Тauc графиков: TiO₂ 3,20 эВ (непрямой), Ag₃PO₄ 2,49 эВ (прямой), ATP 3,75 эВ (прямой). Композит демонстрирует два поглощения края — 385 нм (Eg 3,64 эВ) и 510 нм (Eg 2,49 эВ) — демонстрируя сохранение как TiO₂, так и Ag₃PO₄ характеристик.

Фотокаталитические активности

Рис. 4a показывает время-зависимые UV-vis спектры RhB во время облучения ATP/TiO₂/Ag₃PO₄. Пик 554 нм почти исчезает через 20 мин, указывая на >90% деградацию. В сравнении (Рис. 4b), чистый TiO₂ и ATP достигают <50% удаления после 60 мин, тогда как Ag₃PO₄ выполняет лучше, но страдает от потери стабильности. Тернарный композит достигает 81,1% деградации всего за 3 мин и >99% после 20 мин — превосходя все бинарные аналоги при меньшем содержании Ag.

Стабильность тесты (Рис. 5) показывают, что Ag₃PO₄ теряет активность после последовательных циклов из-за накопления Ag на поверхности. В отличие, ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ сохраняет >95% начальной производительности за пять циклов, подтверждая защитный эффект TiO₂ и ATP в гетероструктуре.

Возможный механизм в фотокаталитическом процессе

Скэвиджер эксперименты (Рис. 6) идентифицировали доминирующие реактивные виды: дырки (h⁺) и супероксидные радикалы (O₂•⁻) существенны, в то время как гидроксиловые радикалы (•OH) играют второстепенную роль. Предлагаемый механизм (Рис. 7) включает электронный перенос от TiO₂ CB (−0,5 эВ) к Ag₃PO₄ CB (+0,45 эВ), и миграцию дырок от Ag₃PO₄ VB (+2,97 эВ) к TiO₂ VB (+2,70 эВ). Это разделение зарядов снижает рекомбинацию, усиливает O₂ восстановление до O₂•⁻ и защищает Ag⁺ от фоторедукции, тем самым улучшая как активность, так и стабильность.

Заключение

Мы успешно изготовили ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ тернарный нанокомпозит простым двухэтапным процессом. Полученная гетероструктура заметно улучшает разделение зарядов, ведущую к быстрой и стабильной деградации RhB под имитированным солнечным светом. По сравнению с чистым Ag₃PO₄, композит требует меньше серебра, снижает стоимость и предлагает превосходную долговечность. Эти находки предоставляют масштабируемую стратегию для проектирования Ag-базированных фотокатализаторов с усиленной производительностью и долговечностью.

Аббревиатуры

ATP

Аттапульгит

BQ

Бензокинон

CB

Зона проводимости

Na₂-EDTA

Динатрия этилендиаминтетраацетат

RhB

Родамин B

TBA

Терт-бутанол

VB

Валентная зона