Усиленная фотокаталитическая деградация Родамина B с использованием SrTiO3/Bi5O7I нанокомпозитов: фарбикация, характеристика и механистические инсайты

Аннотация

Мы сообщаем о термическом декомпозиционном пути для синтеза SrTiO₃/Bi₅O₇I нанокомпозитов, комбинирующих перовскитовые SrTiO₃ наночастицы с тетрагональными Bi₅O₇I наноростами. XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS и PL анализы подтверждают фазовую чистоту, интимное гетероструктурное образование и эффективное разделение зарядов. Под имитированным солнечным облучением, 30 вес.% SrTiO₃/Bi₅O₇I композит достигает 89,6 % удаления Родамина B (RhB) за 150 мин — в 3,97 раза выше чистого Bi₅O₇I и в 12,5 раза выше SrTiO₃. •O₂⁻ и дыроки доминируют в окислительном процессе, в то время как PL данные раскрывают подавленную рекомбинацию. Исследование элицидирует Z-тип гетероструктурный механизм, движущий превосходную фотокатализацию, предлагая чертеж для высокопроизводительных видимых-световых фотокатализаторов.

Введение

Загрязнители красителей из текстильных стоков создают серьезные экологические и здоровье риски, побуждая поиск дешевых, зеленых методов ремедиации. Конвенциональная адсорбция, коагуляция и передовые окислительные процессы часто страдают от высоких операционных затрат и вторичных отходов. Полупроводниковая фотокатализация, особенно под солнечным светом, выступает перспективной альтернативой благодаря возобновляемому источнику энергии и минимальным побочным продуктам. TiO₂ остается эталонным фотокатализатором, но его широкая запрещенная зона ограничивает видимо-световую активность и способствует быстрой электроно-дырочной рекомбинации. Недавние стратегии включают поверхностную модификацию или сцепление полупроводников для усиления поглощения света и разделения зарядов.

Bi₅O₇I, p-тип оксийодид, демонстрирует относительно высокую валентную зону, генерирующую сильные окислительные дыроки, но страдает от низкой эффективности зарядного переноса. Сцепление с n-тип SrTiO₃, термически стабильным перовскитом с подходящим зонным выравниванием, может образовать эффективную гетероструктуру, облегчающую электронную миграцию и снижающую рекомбинацию. Эта работа пионерски синтезирует SrTiO₃/Bi₅O₇I нанокомпозиты и оценивает их фотокаталитическую производительность и базовый механизм.

Методы

Подготовка SrTiO₃/Bi₅O₇I композитов

SrTiO₃ наночастицы и SrTiO₃/BiOI предшественники сначала готовили сол-гель путем. Композиты затем подвергали термической декомпозиции (нагрев 5 °C/мин до 500 °C, выдержка 3 ч, естественное охлаждение) для получения SrTiO₃/Bi₅O₇I нанокомпозитов с варьирующейся загрузкой SrTiO₃ (10–40 вес.%).

Характеризация

Фазовый анализ использовал XRD (Cu Kα). Морфология и элементная картография захватывали FE-SEM с EDS. Поверхностная химия зондировалась XPS. UV-vis диффузная рефлектометрия (DRS) оценивала оптическое поглощение, в то время как PL спектроскопия оценивала зарядную рекомбинацию. FTIR идентифицировал функциональные группы.

Фотокаталитическая оценка

Фотокаталитическая активность измеряли деградацией RhB под 500 Вт ксеноновой лампой (имитированный солнечный свет). 100 мг катализатора диспергировали в 100 мл 20 мг/л RhB, перемешивали 30 мин в темноте (адсорбционное равновесие), затем облучали. Каждые 30 мин, 3 мл аликвоты центрифугировали, и концентрация RhB количественно определяли UV-vis спектроскопией.

Результаты и обсуждение

XRD анализ

Чистый SrTiO₃ показывал ожидаемые перовскитовые пики (JCPDS 35-0734). Bi₅O₇I демонстрировал характерные тетрагональные рефлексии (JCPDS 10-0548). 30 вес.% композит показывал суперпозицию обоих паттернов без второстепенных фаз, подтверждая успешное гетероструктурное образование.

XPS анализ

Обзорные сканы раскрыли Ti, Sr, Bi, I и O. Ядерные спектры подтвердили Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺ и I⁻ состояния, и O 1s пик разделился на решетчатый и вакансионно-связанные компоненты, указывая на кислородные вакансии, помогающие зарядному переносу.

SEM & EDS

SrTiO₃ частицы были сферическими (50–300 нм). Bi₅O₇I наноросты (100–300 нм × 80 нм) обертывали SrTiO₃ частицы, создавая интимный контакт. EDS подтвердил 30 вес.% SrTiO₃ содержание.

Оптические свойства

DRS показал УФ край при 380 нм для SrTiO₃ и видимый-световой край при 520 нм для Bi₅O₇I. Композит сильно поглощал между 480–520 нм, улучшая видимо-световой сбор. Запрещенные зоны рассчитали как 3,2 эВ (SrTiO₃), 2,31 эВ (Bi₅O₇I) и 2,38 эВ (30 вес.% композит).

Фотокаталитическая активность

Под имитированным солнечным светом 30 вес.% композит достиг 89,6 % удаления RhB за 150 мин, превосходя оба исходных материала. Казательная константа скорости (k_app) была 1,45 × 10⁻² мин⁻¹, в 12,5 раз выше SrTiO₃ и в 2,97 раз выше Bi₅O₇I. Тесты повторного использования за пять циклов показали незначительную потерю активности, подтверждая структурную стабильность.

Механистические инсайты

Исследования с ловушками раскрыли, что •O₂⁻ и дыроки — доминирующие окислительные виды; гидроксил-радикалы играли пренебрежимую роль. PL спектры демонстрировали заметно сниженную эмиссию для композита, указывая на подавленную электроно-дырочную рекомбинацию. Рассчитанные позиции зон (E_VB = 2,92 эВ для Bi₅O₇I, 2,03 эВ для SrTiO₃) поддерживают Z-тип гетероструктуру: электроны текут из SrTiO₃ в Bi₅O₇I, в то время как дыроки мигрируют в противоположную сторону, движимое эффективное разделение зарядов и генерацию •O₂⁻.

Заключение

Мы спроектировали SrTiO₃/Bi₅O₇I нанокомпозиты простым термическим декомпозиционным методом, дающим надежную Z-тип гетероструктуру. 30 вес.% композит доставляет превосходную фотокаталитическую деградацию RhB под имитированным солнечным светом, приписываемую усиленному видимо-световому поглощению и эффективному разделению зарядов. Эти находки предоставляют масштабируемый маршрут для высокопроизводительных фотокатализаторов, применимых к очистке сточных вод и далее.