Fotokatalisis Cahaya Visible Tingkat Tinggi melalui Cu2−xSe-Modifikasi Monoklinik BiVO4: Peningkatan Aktivitas 15,8 Kali
Abstrak
BiVO4 adalah fotokatalis cahaya visible yang menjanjikan, namun performanya terhambat oleh rekombinasi elektron-lubang yang cepat. Dalam studi ini, kami merancang heterostruktur Cu2−xSe/BiVO4 yang memanfaatkan ketidakcocokan struktur band untuk menghasilkan listrik internal, yang mengajarkan pemisahan muatan yang efisien. Komponen Cu2−xSe, yang memiliki fungsi kerja yang lebih besar dan level Fermi yang lebih rendah daripada BiVO4, menarik fotogenerasi elektron sementara mendonasi lubang secara sebaliknya. Uji fotokatalisis pada Rhodamin B (RhB) di bawah cahaya visible (>420 nm) menunjukkan bahwa muatan 3 wt% Cu2−xSe meningkatkan aktivitas sebesar 15,8 kali dibandingkan BiVO4 murni. Penambahan sejumlah kecil H2O2 mendorong degradasi lengkap RhB dalam 50 menit, menunjukkan potensi praktis komposit untuk rehabilitasi lingkungan.
Pendahuluan
Pertumbuhan industri telah memintasi pencemaran lingkungan, mendorong kebutuhan akan teknologi rehabilitasi berkelanjutan. Dekomposisi fotokatalitik kontaminan organik menggunakan energi matahari adalah solusi hijau yang menarik. Semikonduktor berbasis bismut, terutama monoklinik BiVO4 dengan band gap 2,4 eV, menyerap cahaya visible secara efisien dan menunjukkan performa fotokatalitik yang menjanjikan. Namun, rekombinasi elektron-lubang yang cepat membatasi penggunaan praktisnya. Strategi yang terbukti untuk mengatasi masalah ini adalah pembangunan heterosambungan yang menyelaraskan tepi band dua semikonduktor, sehingga mempromosikan pemisahan muatan.
Cu2−xSe, semikonduktor tipe-p dengan band gap tidak langsung 1,4 eV, cocok untuk serapan cahaya visible. Digabungkan dengan BiVO4, fungsi kerja yang lebih tinggi Cu2−xSe menyebabkan elektron bermigrasi dari BiVO4 ke Cu2−xSe, sementara lubang bergerak ke arah sebaliknya. Redistribusi muatan ini menciptakan listrik internal yang memfasilitasi rekombinasi selektif dari carrier yang kurang energik, sehingga meninggalkan lubang oksidatif tinggi di BiVO4 yang mampu menghasilkan radikal hidroksil (•OH) yang dekomposi molekul organik kompleks.
Dalam studi ini, kami melaporkan untuk pertama kalinya sintesis komposit Cu2−xSe/BiVO4 dan aplikasinya dalam fotodegradasi RhB di bawah irradiasi cahaya visible. Sampel 3 wt% Cu2−xSe/BiVO4 menunjukkan peningkatan aktivitas sebesar 15,8 kali dibandingkan BiVO4 murni, dan penghapusan lengkap RhB tercapai dalam 50 menit ketika sejumlah kecil H2O2 diperkenalkan. Hasil ini menetapkan Cu2−xSe sebagai kokatator efektif untuk komposit fotokatalitik lanjutan.
Metode
Persiapan Komposit Cu2−xSe/BiVO4
BiVO4 disiapkan melalui rutinitas pengendapan kimia standar. Cu2−xSe disintesis mengikuti protokol yang sebelumnya dilaporkan oleh kami. Kedua bubuk dispersi dalam etanol, diaduk pada 60 °C selama 4 jam, kemudian dipanaskan ke 80 °C untuk menguapkan pelarut. Akhirnya, campuran dipanaskan pada 160 °C selama 6 jam di bawah aliran nitrogen untuk membentuk komposit Cu2−xSe/BiVO4. Skematis proses ini ditunjukkan dalam Gambar 1.
Diffraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada difraktometer PANalytical X’pert Pro menggunakan radiasi Cu Kα. Morfologi diperiksa dengan mikroskop elektron pemindai (SEM) Hitachi S-4800. Data spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dikumpulkan pada sistem PHI-5300. Spektra luminescensi foton (PL) direkam pada spectrophotometer Cary Eclipse.
Reaksi Fotokatalitik
Aktivitas fotokatalitik dievaluasi dalam reaktor fotokimia XPA. Lampu Xe 500 W dengan filter pemotong 420 nm mensimulasikan sinar matahari alami. Dalam eksperimen典型, 60 mg komposit dispersi dalam 60 mL larutan RhB 5 µM. Setelah pengadukan gelap selama 2 jam untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi, suspensi diiluminasi; aliquot 6 mL diambil setiap 10 menin, difugasi, dan dianalisis dengan spektrometer Shimadzu UV-2450.
Pengukuran Fotoelektrokimia
Pengukuran fotolistrik dilakukan pada workstation CHI 660E. Elektroda kerja disiapkan dengan mencoret 10 mg katalis dengan 20 µL Nafion pada kaca ITO 0,196 cm², diikuti 1 jam pada 200 °C. Foil Pt berfungsi sebagai elektroda kontra, referensi Hg/HgCl₂, dan 0,5 M Na₂SO₄ sebagai elektrolit. Iluminasi sesuai kondisi fotokatalitik (lampu Xe 500 W, >420 nm).
Hasil dan Pembicaraan
Gambar 2a menunjukkan bahwa integrasi Cu2−xSe secara signifikan meningkatkan fotodegradasi RhB. Muatan optimal adalah 3 wt%, mencapai konstanta laju degradasi tertinggi (k = 0,0174 min⁻¹), yang 15,8 kali lebih besar dari BiVO4 polos (k = 0,0011 min⁻¹). Gambar 2c menunjukkan bahwa, dengan 103 µL H2O2 per 100 mL larutan, komposit 3 wt% sepenuhnya mendegradasi RhB dalam 50 menit, dan aktivitas tetap stabil setelah tiga siklus.
a Degradasi fotokatalitik RhB melalui Cu2−xSe/BiVO4. b Konstanta laju degradasi untuk berbagai kandungan Cu2−xSe. c Uji siklus dengan H2O2.
Gambar SEM (Gambar 3) menunjukkan bahwa BiVO4 membentuk partikel bulk heksagonal (0,2–1 µm), sementara lembaran Cu2−xSe (tebal ≈300 nm, panjang 4 µm) secara merata tersebar pada permukaan BiVO4. XPS mengonfirmasi kehadiran Cu2−xSe dan status oksidasi semua elemen (Gambar 5).
Foto SEM BiVO4 (a) dan Cu2−xSe/BiVO4 (b)
Pola XRD (Gambar 4a) mengonfirmasi bahwa fase monoklinik BiVO4 tetap tidak berubah setelah pemuatan Cu2−xSe, karena kandungan Cu terlalu rendah untuk puncak diffraksi yang jelas. Spektra PL (Gambar 4b) menunjukkan intensitas emisi yang lebih rendah untuk komposit, mengindikasikan pemisahan elektron-lubang yang ditingkatkan. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS, Gambar 6) menunjukkan busur Nyquist yang lebih kecil untuk komposit, mencerminkan resistensi transfer muatan yang lebih rendah dan transportasi elektron interfes yang lebih cepat.
Data XRD untuk BiVO4 dan 3% Cu2−xSe/BiVO4 (a), spektra PL untuk BiVO4 dan komposit Cu2−xSe/BiVO4 (b)
Spektra XPS komposit Cu2−xSe/BiVO4. a Survei, b Bi, c V, d O, e Cu, dan f Se
EIS untuk BiVO4 dan Cu2−xSe/BiVO4 di bawah radiasi cahaya visible dalam larutan 0,5 M Na₂SO₄
Performa fotokatalitik unggul timbul dari heterosambungan S-scheme yang terbentuk antara Cu2−xSe dan BiVO4. Penyelarasan band memindahkan elektron dari BiVO4 ke Cu2−xSe dan lubang ke arah sebaliknya, menciptakan listrik internal yang secara selektif merekombinasikan carrier energi rendah. Akibatnya, lubang energi tinggi tetap di BiVO4, menghasilkan radikal •OH yang efisien yang mengoksidasi RhB. Mekanisme ini menjelaskan peningkatan aktivitas yang dramatis dan stabilitas yang diamati dalam pengulangan berulang.
