Эффективная фотокаталитическая очистка сточных вод с использованием нанохлопьев восстановленного оксида графена, декорированных серебром

Аннотация

Оксид графена (GO) получен модифицированным методом Хаммерса, а восстановленный оксид графена (rGO) получен термической обработкой. Различные концентрации (2.5, 5, 7.5 и 10 вес.%) серебра (Ag) были включены в нанослои GO гидротермальным подходом. Синтезированный фотоокатализатор Ag/rGO, декорированный серебром, характеризовался рентгеновской дифракцией (XRD) для определения фазовой чистоты и кристаллической структуры. XRD-образцы показали формирование GO в Ag/rGO. Молекулярные вибрации и функциональные группы определялись с помощью Фурье-преобразования инфракрасной спектроскопии (FTIR). Оптические свойства и уменьшение запрещенной зоны при введении Ag подтверждались с помощью UV-Vis спектрофотометра и фоtolюминесценции (PL). Электронные свойства и беспорядки в углеродных структурах исследовались рамановской спектроскопией, которая выявила наличие характерных полос (D и G). Поверхностная морфология подготовленных образцов изучалась с помощью растреющего электронного микроскопа с полевой эмиссией (FESEM). Однородное распределение, размер и сферическая форма наночастиц Ag на листах rGO дополнительно подтверждались с помощью высокогоразрешающего передаточного электронного микроскопа (HR-TEM). Окисление красителя донированных и недонированных образцов изучалось через UV-Vis спектры. Экспериментальные результаты указали, что фотокаталитическая активность Ag@rGO возрастает с увеличением отношения донирования благодаря уменьшению рекомбинации электрон-дырочных пар. Следовательно, предлагается, что Ag@rGO может использоваться как выгодный и превосходный фотоокатализатор для очистки окружающей среды и сточных вод.

Введение

Вода на Земле подобна крови в наших телах. Это ключевой ресурс для выживания и развития всех живых видов. Хотя 71% поверхности Земли покрыто водой, только 0.03% от общего количества воды считается пресной, которая может использоваться человеком напрямую через пресные озера, реки и мелкие грунтовые воды [1]. В последние десятилетия неадекватная доступность чистой питьевой воды предстала неумолимой глобальной проблемой. Быстрый рост населения мира и индустриализация привели к возрастанию загрязнения окружающей среды, так что около 750 миллионов людей сталкиваются с отсутствием доступа к чистой воде [2, 3]. Водные резервуары регулярно загрязняются различными опасными загрязнителями, содержащими ионы тяжелых металлов, красители, нефть и другие химикаты, выбрасываемые различными дубными заводами и промышленностью, связанной с текстилем, резиной, бумагой, косметикой, окраской, пластиком и пищевой промышленностью [4]. Согласно отчету Всемирного банка, 17-20% загрязнения воды вызвано текстильной промышленностью. Ежегодно производится около 1/10 миллиона типов красителей в многочисленных текстильных процессах, среди которых метиленовый синий (MB) 10-15% непосредственно выбрасывается в стоки. Эти загрязнители создают серьезные проблемы со здоровьем, такие как рак, раздражительность кожи, аллергия и нарушение функции печени, а также вредны для водной жизни [4, 5].

Для решения этих глобальных проблем применяются определенные конвенциональные методы очистки, такие как ионообмен, электролиз, угольные фильтры, химическая коагуляция, биологические методы, мембранная фильтрация и обратный осмос (RO). Тем не менее, с этими техниками связаны ряд недостатков и ограничений, включая некомпетентность, сложную процедуру, высокое образование осадка, высокую стоимость внедрения и эксплуатации, и использование больших количеств энергии [4, 6, 7]. Таким образом, необходимо разработать эффективные технологии с указанными свойствами; среди таких техник фотокатализ преодолевает большинство недостатков.

На сегодняшний день фотокаталитическое разрушение с использованием неорганических полупроводниковых наноматериалов демонстрирует огромную привлекательность и интерес исследователей благодаря своим отличным физическим и химическим свойствам, таким как низкая токсичность, электрохимическая стабильность, сверхокислительная способность, стоимость-эффективность и экологическая пригодность [2, 8, 9]. В процессе фотокатализа (PC) наноматериалы поглощают больше энергии видимого света, чем энергия запрещенной зоны, инициируя возбуждение между валентной и зоной проводимости. Через разделение зарядов генерируются электрон-дырочные пары. Свободные радикалы (OH) окисляют органические соединения и разрушают загрязнители [8, 10].

С другой стороны, некоторые критические факторы жизненно важны для определения PC-производительности, в частности площадь поверхности фотоокатализатора, так как органические загрязнители разрушаются преимущественно на поверхности полупроводника. Наличие надежной способности к поглощению света, быстрый межфазный окислительно-восстановительный темп, среди различных наноструктур; двумерные (2D) наноструктуры имеют тенденцию достигать этих характеристик более эффективно [11,12,13,14]. 2D наноматериалы также предлагают каналы транспорта электронов благодаря уменьшенным стыкам и зерновым границам в отличие от других сферических нанокристаллов. Быстрый транспорт электронов снижает скорость рекомбинации и повышает производительность PC разрушения. В этом направлении оксид графена (GO) является подходящим кандидатом для подтверждения полупроводниковой PC-эффективности [15,16,17,18].

В последние десятилетия, помимо УВНТ и других углеродных наноматериалов, графен с одноатомной нанолистовой структурой возник как привлекательный кандидат с широким спектром многообещающих свойств, включая энергетическое преобразование, накопление и каталитическую активность [19,20,21]. В исследованиях водной очистки и дистилляции, благодаря большому числу делокализованных электронов, сопряженных в sp² конфигурации углеродной сети, графитовый углерод обогащает транспорт фотоэлектронов и значительно повышает фотопреобразовательную эффективность системы. Кроме того, GO демонстрирует высокую способность поглощения органических материалов в водной среде [22, 23]. GO и восстановленные оксиды графена (rGO) обеспечивают PC-реакцию и благодаря своей узкой запрещенной зоне продвигаются как видимо-световые активные полупроводниковые фотоокатализаторы. Тем не менее, существует пространство для улучшения, так как фотопреобразование было найдено слабым из-за быстрой рекомбинации электрон-дырочных пар на поверхности.

Фотопреобразовательная эффективность фотоокатализаторов на базе GO/rGO может быть повышена путем предотвращения рекомбинации электрон-дырочных пар. Для достижения этой цели поверхностные модификации были хорошо разработаны с ионными благородных металлов, включая платину (Pt), палладий (Pd), серебро и золотые наночастицы (НЧ). Серебро среди наиболее изученных благородных металлов считается вероятным кандидатом для модификации графена и его аналогов для PC-актуальности из-за своей низкой стоимости, неповторимых оптических свойств, более высокой химической стабильности и нетоксичной природы. Большая неподвижность наночастиц серебра, декорированных на rGO, признается улучшением производительности, в первую очередь из-за увеличения реактивной площади и превосходного разделения зарядов. Уникальные свойства агрегации и транспорта электронов GO через сопряженную схему направляют горячие электроны к реактивным центрам и подавляют рекомбинацию [23]. Следовательно, исходя из вышеуказанных преимуществ, мы стремились синтезировать различные соотношения содержания Ag (2.5, 5, 7.5, 10) вес.% с rGO фотоокатализатором через гидротермальный путь для изучения эффективности фотоокатализатора, а также подготовленные образцы характеризовались несколькими техниками для изучения структурных, оптических и электронных свойств.

Методы

Текущее исследование направлено на синтез различных концентраций Ag в нанослоях rGO через гидротермальный путь для изучения эффективности фотоокатализатора.

Материалы

Графит (99%) и нитрат натрия (NaNO₃) 99.9% были закуплены у «Sigma-Aldrich», в то время как серная кислота (H₂SO₄, 37%) и фосфорная кислота (H₃PO₄) получены от «Analar». Серебро (Ag, 99.8%), перманганат калия (KMnO₄, 99%) и соляная кислота (HCl) получены от «Merck». Все химикаты использовались без дополнительной очистки.

Синтез GO

Модифицированный метод Хаммерса был принят для получения GO. Графит (5 г) и NaNO₃ (2.5 г) смешивались в H₂SO₄ (108 мл) с 12 мл H₃PO₄. Смесь магнитно перемешивалась в ледяной бане 10 мин; затем фильтрат сушился в маффельной печи при 60 °C в течение 2 часов для удаления влаги. Позже KMnO₄ (15 г) добавлялся медленно при поддержании температуры ниже 5 °C. Суспензия переносилась в ледяную баню на 2 часа после интенсивного перемешивания при 98 °C в течение 60 мин с непрерывным добавлением воды. Дальнейшая деионизированная вода добавлялась до объема суспензии 400 мл, через 5 мин H₂O₂ (12 мл) смешивался. Наконец, суспензия центрифугировалась и многократно промывалась водой и HCl, продукт сушился при 60 °C, а pH GO после промывки составил 5.7, как показано на рис. 1 [24, 25].

Процесс синтеза GO и Ag-допированного rGO.

Синтез Ag/rGO

rGO был извлечен из GO термическим восстановлением: GO восстанавливался путем удержания при температуре восстановления (300 °C); резкое изменение температуры вызывает удаление функциональных групп и атомов кислорода из углеродных плоскостей и эксфолиацию GO для производства rGO [26]. rGO можно рассматривать как химически получений графен, структура которого варьируется от одного слоя до многослойного [27]. Ag-допированный rGO с различными соотношениями концентраций синтезировался гидротермально, используя 800 мг нанослоев GO, включенных с (25, 50, 75 и 100 мг) Ag в 80 мл деионизированной воды под интенсивным перемешиванием 20 мин. Раствор затем центрифугировался (30 мин) и затем переносился в 100-мл автоклав с тефлоновой обкладкой, герметизировался и нагревался до 200 °C (24 ч). Финальный продукт сушился при ~200 °C, как показано на рис. 1 [9].

Фотокаталитическая активность

Фотокаталитическая активность подготовленных продуктов оценивалась разрушением синтетического метиленового синего (MB) в водной среде, как показано на рис. 2. Краситель (5 мг/500 мл) готовился с 10 мг суспензии фотоокатализатора (0.025:1, 0.050:1, 0.075:1 и 0.1:1) под перемешиванием (5 мин) и экспонировался в темноте 30 мин для достижения значимого поглощения. 60 мл подготовленного раствора с интенсивным перемешиванием переносились в фотореактор под ртутной лампой (400 Вт и 400-700 нм), используемой как источник видимого света. После светового воздействия в течение заданных интервалов времени (20 мин), суспензия (3 мл) собиралась для определения разрушения красителя. Концентрация/поглощение MB изучалась с помощью UV-Vis спектрометра; эффективность деколоризации подготовленного фотоокатализатора оценивалась как:

$$ \mathrm{Degradation}\ (\%) = \left[1 - \left(C/C_o\right)\right] \times 100 $$ (1)

Механизм фотокаталитического разрушения красителя в присутствии Ag/rGO.

где C₀ — поглощение при t = 0, а C — поглощение в момент времени t (конкретный временной интервал) [8, 10].

Механизм фотокаталитического разрушения органических молекул объясняется следующим образом (рис. 2). Когда фотоокатализатор (Ag/rGO) облучается фотонами энергии, равной или большей энергии запрещенной зоны PC, электроны (e⁻) возбуждаются из валентной зоны (VB):

$$ \mathrm{PC} + hv \to e^-(\mathrm{CB}) + h^+(\mathrm{VB}) $$ (2)

Сгенерированные облучением электроны могут быть легко захвачены молекулой O₂, адсорбированной на поверхности фотоокатализатора (PC) или растворенным O₂, давая супероксидные радикалы, то есть O₂•⁻:

$$ e^- + O_2 \to O_2^{\bullet -} $$ (3)

Таким образом, O₂•⁻ может реагировать с H₂O, образуя гидрооксидные радикалы (H₂O•) и гидроксильные радикалы (OH•), которые являются влиятельными окислителями, разрушающими органические молекулы:

$$ O_2^{\bullet -} + H_2O \to HO_2^{\bullet} + O $$ (4)

Одновременно фотосгенерированные дырочки могут быть захвачены поверхностными гидроксильными группами (H₂O) на поверхности фотоокатализатора для производства гидроксильных радикалов (OH•):

$$ h^+ + OH^- \to ^{\bullet}OH_{ad} $$ (5)

$$ h^+ + H_2O \to ^{\bullet}OH + H^+ $$ (6)

В конечном счете органические молекулы окисляются с образованием CO₂ и H₂O:

OH + органические молекулы + O₂ → продукты (CO₂ и H₂O) (7)

Временная, незначительная рекомбинация положительной дырочки и электрона может иметь место, что может снизить фотокаталитическую активность подготовленного нанооктализатора [28].

Характеризация материалов

Кристаллическая структура и фазовая информация GO и Ag@rGO изучались через XRD на системе Bruker (XRD, D2 Phaser, USA) с монохроматизированным Cu K излучением средней длины волны 0.154 нм (5-80°) со скоростью сканирования 0.05°/мин. FTIR спектрометр PerkinElmer 3100 со спектральным диапазоном 4000–400 см⁻¹ с увеличением 32 сканирований и разрешением 0.2 см⁻¹ использовался для детектирования функциональных групп и других молекулярных вибраций подготовленных образцов. Оптические свойства записывались через UV-Vis спектрофотометр (TECAN infinite M200PRO) в диапазоне 200–700 нм. Поверхностная морфология и межслойное расстояние синтезированных образцов наблюдались с помощью FESEM, JSM-6460LV и HR-TEM Philips CM30, JEOL JEM 2100F. Для подтверждения GO, Ag/rGO хлопьев и режимов вибрации рамановские спектры использовались на Renishaw inVia рефлексивном конфокальном рамановском микроскопе с длиной волны 532 нм (6 мВт) лазера. Фоtolюминесценционные спектры подготовленных и донированных образцов записывались через спектрофлюорометр (JASCO, FP-8300).

Результаты и обсуждение

Фазовая структура и кристаллитный размер подготовленных нанослоев rGO с вставленным Ag изучались с помощью XRD анализа (рис. 3a). Дифракограмма GO показывает интенсивное отражение около ~10.27°, отнесенное к плоскости (001) с межслойным расстоянием 0.80 нм [23, 29, 30]. При донировании Ag широкая пик возникает около ~25.4°, который распознается как характеристическая пика графена, индексированная как плоскость (002) (JCPDS № 04-0783) гексагонального графита, с d-расстоянием 0.34 нм [23, 30,31,32]. Пик (001) показывает, что графитовый порошок полностью окислен в GO, а пик (002) подтверждает удаление полиуглеводородного шаблона между двумя слоями rGO [30]. После замещения Ag, пик GO (001) смещается к более высокому значению 2θ на 25.4° с более низким d-расстоянием, очевидным для реакции окисления-восстановления между оксидом графена и ионами серебра (Ag-rGO) и смещением d-значения после восстановления, вызванным удалением кислородсодержащих групп, интеркалирующихся между слоями восстановленного оксида графена (rGO), как видно в XRD дифракограмме [29, 32]. Средний кристаллитный размер, оцененный по уравнению Шерера:

$$ D = \frac{k\lambda}{\beta \cos \theta} $$ (8)

Кристаллитные размеры найдены ~4.85, 11.3, 11.53, 11.6 и 28.3 нм соответственно. В уравнении (8) k = 0.89, β = FWHM, λ = 0.154 нм, θ = угол дифракции. Выделенная область электронной дифракции (SAED) на рис. 3b и c, соответствующая XRD образам подготовленных образцов, демонстрирует четкие кольцевые особенности и указывает на гексагональную фазу GO и Ag/rGO, проявленную в хорошо кристаллизованных продуктах; также индексация колец была согласована с XRD образами.

a XRD образец. b, c SAED кольца как-подготовленных и Ag-допированных RGO (b) 0:1 (c) 0.010:1. d FTIR спектры.

Спектры Фурье-преобразования инфракрасной (FTIR) спектроскопии GO и Ag-допированного rGO изображены на рис. 3d. Наблюдаемая пика ~3433 см⁻¹ соответствует растягивающей вибрации O-H [23]. Низкие пики пропускания при 1719 см⁻¹ относятся к растягивающим вибрациям C=O, вызванным COOH группами, а полоса при 1627 см⁻¹ отнесена к ароматическим растягивающим вибрациям C-C [10, 33]. Пик ~2371 см⁻¹ отнесен к COO группам [34]. Пик пропускания (~650 см⁻¹) является отпечатковой областью гибридизированного sp² углеродного связывания, отнесенной к изогнутым вибрациям C-H [35]. Полоса ~1082 см⁻¹ соответствует C-O-C от растягивающих вибраций гидроксила, при донировании значение пика функциональных групп на донированном образце слегка изменилось, в то время как их формы остались похожими [23, 29, 36].

Оптические свойства в терминах поглощения и анализа запрещенной зоны фотоокатализатора Ag-rGO изучались через UV-Vis спектрограф в диапазоне 200-700 нм, как показано на рис. 4a. UV-Vis спектр GO демонстрирует характерную пику около 230 нм благодаря π–π* переходу ароматических C-C связей, указывающей на восстановление обширного сопряженного каркаса sp² углеродных атомов. Другая плечевая пика наблюдается при 300 нм, отнесенная к n–π* переходам связей C=O [19, 23, 31]. Наоборот, эти две пики стали слабее в случае Ag/rGO, соответствующие π–π* переходу ароматических C-C связей, найденной красносмещенной при 270 нм, что подтверждает восстановление GO и указывает на отсутствие восстановления электронной сопряженности графена [23, 29]. Поглощение в видимой области (~400 нм) благодаря их поверхностному плазмонному резонансу Ag НЧ, что является дальнейшим доказательством видимо-светового активного фотоокатализатора для удаления органических тел [23, 29, 37]. Запрещенная зона рассчитывалась уравнением Таука; αhν = D(hν − Eg)ⁿ путем построения (αhν)² против hν экстраполированием линейных подгонок, запрещенная зона рассчитывалась 4.10 эВ для GO и 3.98 до 3.50 эВ для Ag/rGO, запрещенная зона постепенно уменьшалась с более высоким донированием Ag НЧ, четко наблюдаемом на рис. 4b [38].

a UV-Vis спектры GO и Ag-rGO. b Сравнение запрещенных зон.

Морфологические характеристики GO и Ag-rGO образцов, проясненные через FESEM и HR-TEM, показаны на рис. 5. Изображения GO (рис. 5a) показывают несколько слоев микроструктур с богатыми морщинами и пушистой морфологией, напоминающей тонкую штору. Изображения Ag@rGO (рис. 5b-d) показывают частично сложенные и завивающиеся прозрачные нанослои с небольшими флуктуациями, которые необходимы для термодинамической стабильности графена, благодаря его 2D кристаллической структуре. Нанослои демонстрируют извычайно чистые, шелковые и волнистые структуры, и эта особенность может быть важной для избежания агрегации rGO листов и поддержания поверхности для облегчения прикрепления Ag НЧ на графеновых листах, что можно визуализировать в HR-TEM изображениях [36]. Соответствующие HR-TEM изображения (рис. 6 a₁-d₁), GO демонстрирует пластинчатую и листовидную структуру с чистой площадью поверхности (рис. 6a₁), в образце Ag-rGO (рис. 5 b₁) несколько складывающихся фолдов из-за их искажений от высокой доли sp³ C-O связей [29]. С увеличением концентрации Ag НЧ (рис. 6 c₁, d₁) изображения раскрыли хорошо диспергированное и однородное рассеяние сферических Ag НЧ на поверхности rGO листов со средним размером частиц 10-12 нм [23, 29]. На рис. 6 d₁ с более высокой концентрацией (10%) Ag агрегация частиц увеличилась, что очевидно для донированных видов.

(a-d, a₁-d₁) FESEM и HR-TEM изображения GO и Ag/rGO (a, a₁) GO (b, b₁) 0.050:1 (c, c₁) 0.075:1 и (d, d₁) 0.10:1.

a-d d-расстояния из HR-TEM изображений Ag-rGO (a) 0.025:1 (b) 0.050:1 (c) 0.075:1 (d) 0.10:1.

Исключительно высокого разрешения изображения до 5 и 10 нм d-расстояния образцов Ag/rGO четко наблюдаются на рис. 6a-d. Обведенные области указывают на присутствие Ag НЧ с решетчным расстоянием Ag нанокристалла примерно 0.235 нм [23, 29].

Фоtolюминесценционный (PL) анализ проводился для изучения времени жизни, переноса и захвата электрон-дырочной пары и изучения взаимодействия между графеновыми наноструктурами, их влияния на фотокаталитический отклик, проиллюстрирован на рис. 7a [39, 40]. Графит не демонстрирует люминесцентных свойств из-за нулевой запрещенной зоны. Тем не менее, при уменьшении размера до наноразмера запрещенная зона становится широкой из-за квантового эффекта ограничения. В нанолистах GO и rGO оксидные группы и углеродные вакансии изменяют графен, образуя любой углеродный нанокластер, демонстрирующий полупроводниковое поведение и люминесцентное явление, которое может влиять на размер или долю цепочек и кластеров [40, 41]. В PL спектрах люминесцентные пики находились ~330, 565 и 608 нм, что отнесено к рекомбинации электрон-дырочной пары в локальном состоянии sp² углеродных кластеров, включенных в sp³ матрицу. Следовательно, люминесценция rGO обусловлена исчезновением кислородных функциональных групп, облегчающих перколяцию путей между sp² кластерами [40]. Значительный пик ~565 нм резко уменьшился в случае rGO с восстановлением GO оксидных функциональных групп, которые уменьшаются, и sp² углеродные кластеры расширяются одновременно [41].

a PL спектры. b Рамановские спектры подготовленных образцов. c Увеличенная область рамановских спектров.

Рамановская спектроскопия использовалась для зондирования электронных и структурных свойств контрольного образца и Ag@rGO для различения упорядоченных и неупорядоченных углеродных структур, как продемонстрировано на рис. 7b, c. В случае GO две полосы находятся ~1340 и ~1590 см⁻¹, отнесенные как D и G полосы соответственно. D полоса отнесена к дыханию режима к-точки фононов с симметрией A₁g и полосе от sp³ углеродных атомов; G полоса указывает на характеристическую пику sp² гибридной структуры, которая раскрывает симметрию и кристаллизируемость углерода и вводит E₂g фононное рассеяние углеродных атомов [32, 33, 36]. Более того, D полоса очевидна для поверхностных дефектов и структурных несовершенств, возникающих с присоединенными гидроксил и эпоксид функциями групп с базальными углеродными плоскостями [36]. G полоса является единственным рамановским режимом в графене, исходящим от конвенционального первого порядка рамановского рассеяния и соответствующим в-плоскостному центру зоны, двукратно вырожденному фононному режиму (поперечный (TO) и продольный (LO) оптический) с симметрией E₂g [42]. В случае Ag-rGO рамановский спектр наблюдается при 1338 см⁻¹ (D полоса), 1583 см⁻¹ (G полоса) и 2682 см⁻¹ (2D полоса), есть дополнительная пика, центрированная при 2900 см⁻¹ (D + G полоса), представляющая неопределенность из-за комбинационного рассеяния на рис. 7b, c [31, 35, 42,43,44,45]. D и 2D моды исходят от процесса второго порядка двойного резонанса между неэквивалентными k-точками в Бриллуэновой зоне (BZ) графена, так как 2D полоса указывает на второй порядок D полосы, который аллюдирует к обертону D полосы с ее существованием благодаря двум фононным решетчным вибрационным процессам; тем не менее, она не ассоциирована с дефектами как D полоса на рис. 7c [35, 41]. Вариации в относительных интенсивностях G и D полос в рамановских спектрах GO во время восстановления обычно назначаются изменению в состоянии электронной сопряженности. Это изменение предполагает увеличение числа sp² атомных доменов после восстановления GO [46]. Отношение интенсивностей D к G полосе определяет степень неопределенности в графитовых слоях; I_D/I_G = 0.87 для недопированного образца (GO), I_D/I_G = 1.15 для Ag-допированных образцов и увеличение отношения указывает на уменьшение среднего размера sp² углеродных доменов после синтеза Ag@rGO, в то время как отношение интенсивностей между 2D и G полосой (I_2D/I_G), которое составляет 1.69, использовалось для зондирования концентрации электронов в rGO [31, 32, 35, 47].

Ag наночастицы, при донировании в полупроводниковый материал, генерируют контактную разность потенциалов из-за их разных работ функций. Эта разность потенциалов называется Шотткиевским барьером. Как показано на рис. 8, изгиб зон при формировании контакта после достижения равновесия зависит от относительных энергий работ функций металла (ϕ_M) и полупроводникового (ϕ_B) компонентов. Это явление может значительно повысить эффективность разделения зарядов, так как оно может индуцировать направленную миграцию фотосгенерированных электронов от полупроводника к металлу. Другими словами, это может привести к генерации эффективных ловушечных центров для электронов для подавления электрон-дырочной рекомбинации [48].

Качественная электронная зонная структура Ag-декорированных нанослоев.

Фотокаталитическая активность GO и Ag/rGO нанослоев происходила благодаря их высокой площади поверхности и низкой энергии запрещенной зоны. Таким образом Ag/rGO демонстрирует существенное улучшение в фоторазрушении MB, и краситель полностью разрушается (рис. 9b) за 120 мин. Псевдо-первого порядка уравнение может быть использовано для детализации фотокаталитической эффективности (рис. 8a) GO и Ag/rGO образцов явно, используя следующее выражение:

$$ -\ln(C_t/C_o) = kt $$ (9)

где C₀ — начальная концентрация красителя, C_t — концентрация в момент времени, k — явная скоростная постоянная процесса разрушения, показанная на графике поглощения (рис. 9a), то есть значение k для GO около 0.1300 мин⁻¹ и k необычайно увеличивается в случае Ag/rGO (от 0.1300 мин⁻¹ до 0.7459 мин⁻¹). Рисунок 9c показывает сравнение % разрушения во времени, GO показывает 65% эффективность и постепенное увеличение с концентрацией донирования. Ag/rGO (0.10:1) показывает максимальное % разрушения до 100%, что, вероятно, связано с синергетическими эффектами Ag НЧ [49, 50]. Наконец, на основании этих выводов в настоящем исследовании можно предложить, что Ag/rGO является отличным продуктом, который может использоваться для очистки воды от органических красителей.

a График -ln (Ct/C0) против времени спектров для уменьшения красителя. b График отношения концентрации (C/C₀) против времени. c Сравнение разрушения (%) всех образцов.

Заключение

GO успешно получен через модифицированный метод Хаммерса, а rGO синтезирован из термической обработки во время вставки Ag (2.5, 5, 7.5 и 10 вес.%) через гидротермальный путь. Согласно XRD образцу, смещение пика и уменьшение d-расстояния (0.34 до 0.023 нм) указывают на реакцию окисления-восстановления GO при Ag-допировании с гексагональной кристаллической структурой; наблюдается увеличение среднего кристаллитного размера (4.85 до 15.6 нм) с замещением Ag. FTIR спектры подтвердили пик пропускания около 650 см⁻¹, который является отпечатковой областью гибридизированного sp² углеродного связывания, отнесенного к изогнутым вибрациям C-H, и раскрывает информацию о других присоединенных функциональных группах. Характеристическая пика, отнесенная к π–π* и n–π* связям и красное смещение в пиках. Это подтверждает присутствие Ag, проясненное с помощью UV-Vis спектроскопии, очевидное уменьшение энергии запрещенной зоны (4.10 до 3.50 эВ) с увеличением отношения донирования, рассчитанное с помощью уравнения Таука. Морфологические особенности показывают слоистые структуры GO и Ag/rGO с решетчным расстоянием ~0.235 нм, сферической формой и размером (10-12 нм) Ag НЧ, визуализированными через HR-TEM. Углеродные атомы локального состояния sp² кластеров, включенных в sp³ матрицу, значительное уменьшение пика в случае rGO и расширенные sp² углеродные кластеры при донировании подтверждены PL спектрами. A₁g симметрия в sp³ углеродных атомах на D полосе, sp² гибридная структура, раскрывающая симметрию и кристаллизируемость углерода и вводящая E2g фононное рассеяние углеродного атома и поверхностные дефекты рассчитаны через рамановские спектры. Фотокаталитическая активность реагирует на Ag/rGO (0.10:1) и разрушает 100% концентрации MB. Эти находки указывают на то, что подготовленный нанооктализатор не проявляет опасного поведения в водной очистке и является отличным нанооктализатором для устранения органических загрязнителей из сточных вод.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

UV-Vis:

Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция

FTIR:

Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

TEM:

Передаточное электронное микроскопирование

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции