Serat Nanofibril SrTiO₃-Modifikasi Rutile TiO₂ yang Dihasilkan Elektrospinning Cepat: Degradasi Fotokatalitik Methyl Orange yang Ditingkatkan oleh UV

Latar Belakang

Dioksida titan (TiO₂) adalah semiconductor patokan yang dihargai karena ramah lingkungan, stabilitas kimia, dan properti foto-listrik yang kuat. Ini digunakan secara luas dalam optik, fotovoltaik, sensor, dan pengolahan air limbah. Sementara anatase TiO₂ umumnya menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang lebih baik dibandingkan rutile, bandgap yang lebih lebar (3,2 eV) membatasi absorpsi cahaya terlihat. Rutile TiO₂, dengan bandgap yang sedikit lebih sempit (3,0 eV) dan stabilitas termodinamik yang lebih besar, lebih cocok untuk penggunaan berulang dalam degradasi polutan. Meningkatkan efisiensi fotokatalitik rutile TiO₂ tetap menjadi tantangan penelitian utama. Strategi seperti rekayasa morfologi luas permukaan (misalnya, serat nanofibril, nanobelt, mikroflor) dan konstruksi heterostruktur dengan semiconductor lain (misalnya, ZnO/TiO₂, CdS/ZnO, CeO₂/grafen) telah terbukti efektif. Strontium titanate (SrTiO₃) sangat menarik karena kerobustan termal dan resistensi terhadap fotokorosi, dan telah digunakan dalam generasi H₂, penghapusan NO, pembelahan air, dan degradasi warna. Heterojunti SrTiO₃/TiO₂ telah menunjukkan promosi pemisahan pembawa muatan, meningkatkan aktivitas fotokatalitik. Namun, laporan tentang serat nanofibril rutile TiO₂ modifikasi SrTiO₃ masih jarang, sebagian besar karena rute sintesis konvensional adalah rumit. Elektrospinning menawarkan metode sederhana dan dapat diskalakan untuk memproduksi komposit serat nanofibril dengan komposisi dan morfologi yang dapat dikendalikan. Dalam studi ini, kami menyajikan pendekatan electrospinning satu langkah untuk menyiapkan serat nanofibril SrTiO₃/TiO₂ (rutile) dan menyelidiki performa fotokatalitik dan mekanisme yang mendasarinya.

Metode

Bahan-bahan

Asam asetat kualitas analitik, N,N-dimetilformamida (DMF, 99,5 %), tetra-butil titanat (TBT, 99,0 %), asam strontium (99,97 %), dan polyvinylpirolidon (PVP, M_w = 1,3 × 10⁶) dibeli dari Shanghai Macklin Biochemical Co. Ltd.

Persiapan Serat Nanofibril Komposit SrTiO₃/TiO₂ (rutile)

Serat nanofibril komposit difabrikuasi oleh electrospinning langsung diikuti oleh kalinasi (Gambar 1). Stok PVP 2,2 g dilarutkan dalam 8 mL DMF dan 2 mL asam asetat, diaduk selama 8 jam. Kemudian 2 g TBT ditambahkan dan diaduk selama 4 jam. Asam strontium diperkenalkan secara bertahap hingga larutan menjadi transparan. Sol-gel yang dihasilkan dimuat ke dalam serinj kaca yang dilengkapi dengan jarum stainless steel 0,5 mm dan dipompa pada 0,6 mL h⁻¹. Potensi 15 kV diterapkan dengan jarak jarum-kolektor 15 cm, pada kelembaban relatif < 40 % dan 20 °C. Lapisan non-tenun yang dikumpulkan dikeringkan pada 80 °C selama 6 jam, kemudian dikalinasi pada 700 °C (5 °C min⁻¹) selama 1 jam untuk menghasilkan serat nanofibril SrTiO₃/TiO₂ (rutile). Serat nanofibril TiO₂ (rutile) dan SrTiO₃ polos juga disiapkan untuk perbandingan. Tingkat muatan SrTiO₃ sebesar 1 wt %, 3 wt %, 5 wt %, dan 10 wt % dinotasikan ST-1, ST-3, ST-5, dan ST-10, masing-masing.

Diagram skematis proses persiapan fotokatalis.

Karakterisasi

Mikroskopi pemindaan sinar elektron emisi lapangan (FESEM, Hitachi S-4800) yang digabungkan dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) memeriksa morfologi permukaan. Mikroskopi transmisi elektron (TEM, JEM-2100, 200 kV) dan TEM resolusi tinggi (HRTEM) mengungkap mikrostruktur. Difraksi sinar-X (Bruker D8-Advance, Cu Kα, λ = 1,518 Å) mengidentifikasi fase kristal. Spektrum diflektansi UV-vis direkam pada spektrofotometer Hitachi U-3900.

Pengukuran Aktivitas Fotokatalitik

Performa fotokatalitik dievaluasi dengan degradasi larutan methyl orange (MO) 15 mg L⁻¹ dalam reaktor kuarsa 50 mL. 30 mg katalis disperdi, dan suspensi diaduk dalam gelap selama 30 menit untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi-desorpsi. Degradasi dijalankan oleh lampu merkuri UV-C 25 W (λ ≈ 254 nm). Aliquot (5 mL) diambil setiap 10 menit, difusgasikan, dan konsentrasi MO sisa diukur pada 464 nm menggunakan spektrofotometer.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 menunjukkan pola XRD dari TiO₂ (rutile) polos, SrTiO₃ polos, dan komposit SrTiO₃/TiO₂ (rutile). Puncak pada 2θ = 27,5°, 36,1°, 41,3°, dan 54,4° sesuai dengan bidang (110), (101), (111), dan (211) dari rutile TiO₂ (JCPDS 78-1510). Puncak pada 32,4°, 40,0°, 46,5°, dan 57,8° cocok dengan bidang (110), (111), (200), dan (211) dari kubik SrTiO₃ (JCPDS 84-0443). Kehadiran yang jelas dari kedua fase mengonfirmasi pembentukan heterojunti SrTiO₃/TiO₂ yang berhasil di bawah kalinasi 700 °C, yang meningkatkan mobilitas pembawa muatan dan aktivitas fotokatalitik.

Pola XRD dari TiO₂ (rutile) polos, SrTiO₃ polos, ST-10, ST-5, ST-3, dan ST-1.

Gambar FESEM dari sampel ST-3 (Gambar 3) menunjukkan bahwa serat yang dihasilkan spinning memiliki permukaan halus dan kontinu dengan diameter ~300 nm. Setelah kalinasi pada 700 °C, diameter menyusut menjadi ~200 nm, dan serat menjadi kurus dan kasar, sehingga meningkatkan luas permukaan spesifik dan menyediakan lebih banyak situs aktif untuk fotokatalisis.

Gambar FESEM dari ST-3. a ST-3 yang baru disiapkan, inset: SEM pembesaran tinggi (tidak disinter); (b)-(d) ST-3 setelah sinter.

Analisis TEM dan HRTEM (Gambar 4) lebih mengonfirmasi koeksistensi fase rutile TiO₂ dan kubik SrTiO₃. Garis jaring kristal dengan jarak 0,324 nm (TiO₂ (110)) dan 0,275 nm (SrTiO₃ (110)) terlihat jelas, menunjukkan pembentukan heterojunti intim yang memfasilitasi pemisahan muatan yang efisien. Pola difraksi elektron area terpilih (SAED) dan spektrum EDS (Gambar 4c–d) membenarkan kristalinnya yang tinggi dan komposisi elemennya.

Gambar TEM dan spektrum EDS dari ST-3. a Gambar TEM; (b) HRTEM dari antarmuka rutile TiO₂ dan SrTiO₃; (c) SAED dari ST-3; (d) EDS dari ST-3.

Degradasi fotokatalitik MO dievaluasi untuk TiO₂ (rutile) polos, SrTiO₃ polos, dan komposit SrTiO₃/TiO₂ (Gambar 5). Setelah 40 menit radiasi UV, efisiensi degradasi adalah 62 % (ST-1), 93 % (ST-3), 79 % (ST-5), 43 % (ST-10), 47 % (TiO₂ polos), dan 44 % (SrTiO₃ polos). Sampel ST-3 menunjukkan aktivitas tertinggi, sekitar dua kali lipat dari TiO₂ polos, menunjukkan manfaat dari muatan SrTiO₃ yang optimal. SrTiO₃ berlebih (ST-10) mengurangi performa karena SrTiO₃ sendiri adalah fotokatalis yang lebih lemah; oleh karena itu, heterojunti yang seimbang adalah esensial.

Aktivitas fotokatalitik dari berbagai sampel. a Spektrum absorpsi ST-3 selama fotokatalisis; b Kurva degradasi; c Daur ulang ST-3; d Spektrum UV-vis dari produk.

Uji daur ulang (Gambar 5c) menunjukkan hilangnya aktivitas yang tidak signifikan setelah lima siklus, menunjukkan stabilitas struktural yang kuat dan performa siklus yang utmung.

Mekanisme yang mendasari fotokatalisis yang ditingkatkan diilustrasikan pada Gambar 6. Di bawah radiasi UV, baik SrTiO₃ maupun rutile TiO₂ menghasilkan pasang elektron-lubang. Elektron di konduksi band SrTiO₃ transfer ke konduksi band TiO₂, sementara lubang bermigrasi ke valensi band SrTiO₃, memisahkan muatan secara efektif dan memperpanjang waktu hidupnya. Pembawa muatan ini kemudian bereaksi dengan oksigen terlarut dan air untuk menghasilkan spesies reaktif oksigen yang mengoksidasi molekul MO. Skematis (Gambar 6) dan jalur reaksi (Eqs. 1–10) mengonfirmasi urutan peristiwa ini.

Mekanisme yang diusulkan untuk degradasi fotokatalitik MO oleh heterojunti SrTiO₃/TiO₂ (rutile).

Secara keseluruhan, serat nanofibril komposit SrTiO₃/TiO₂ (rutile) mewakili fotokatalis yang murah, dapat diskalakan, dan sangat efisien untuk pengolahan air limbah warna.

Kesimpulan

Kami berhasil memproduksi serat nanofibril rutile TiO₂ modifikasi SrTiO₃ melalui proses electrospinning satu langkah. Serat nanofibril heterojunti yang dihasilkan menunjukkan kristalin yang tinggi dan morfologi tiga dimensi yang bersama-sama meningkatkan performa fotokatalitiknya, mencapai laju degradasi hampir dua kali lipat dari TiO₂ polos dalam dekomposisi methyl orange yang diarah oleh UV. Studi ini menunjukkan bahwa electrospinning sederhana, dikombinasikan dengan desain heterojunti yang bijak, dapat menghasilkan fotokatalis yang kokoh yang cocok untuk aplikasi lingkungan skala besar.