Komposit TiO₂ Modifikasi Grafin Sinergis Menyediakan Aktivitas Fotokatalitik Superior

Abstrak

Jaringan grafin tiga dimensi (3DGN) menawarkan struktur rangkaian kontinu yang berkualitas tinggi yang dapat meningkatkan fotokatalis TiO₂. Namun, densitas defek yang terbatas dari 3DGN menghambat kontak intim dengan nanopartikel TiO₂—yang krusial untuk transfer elektron yang efisien—dan serapan molekul polutan. Di sisi lain, lembaran grafin oksida tereduksi (RGO) memiliki grup fungsional permukaan yang melimpah yang berfungsi sebagai situs adsorpsi aktif dan memfasilitasi transfer muatan. Dengan menggabungkan RGO dan 3DGN pada TiO₂, kami mencapai komposit sinergis yang secara signifikan meningkatkan serapan kimia dan menghasilkan rendemen oksidan reaktif yang lebih tinggi. Optimisasi fraksi muatan RGO secara signifikan meningkatkan performa fotokatalitik secara keseluruhan, seperti yang ditunjukkan dalam studi degradasi fenol.

Latar Belakang

Konduktivitas listrik luar biasa grafin dan luas permukaan BET yang luas menjadikannya modifikasi yang menarik untuk fotokatalis TiO₂ [1]. Namun, lembaran RGO konvensional menunjukkan densitas defek yang tinggi dan morfologi yang tidak kontinu, yang membatasi potensi performa teoretis mereka. Kemajuan terbaru dalam jaringan grafin tiga dimensi (3DGN) telah menggeser perhatian terhadap struktur yang secara alami kontinu dan berkualitas tinggi, yang meningkatkan baik transfer elektron maupun kemampuan muatan nanopartikel [2, 3].

Pekerjaan kami sebelumnya mengungkapkan bahwa densitas defek optimal dalam 3DGN memfasilitasi kemserapan polutan dan coupling ketat dengan nanopartikel TiO₂, menciptakan jalur transfer elektron yang efisien [2]. Mengontrol densitas defek selama deposit uap kimia secara teknis menuntut, sedangkan kimia permukaan RGO dapat disesuaikan dengan lebih mudah [4, 5]. Dengan demikian, integrasi lembaran RGO dengan 3DGN menawarkan rute yang menjanjikan untuk meningkatkan aktivitas fotokatalitik.

Dalam studi ini, kami menyintesis katalis fotokomposit RGO–3DGN–TiO₂, mengoptimasi komposisinya, dan mengevaluasi metrik performa kunci—serapabilitas kimia, transfer elektron, dan kinetika dekomposisi fenol. Kami menggunakan fotoluminesensi (PL), spektroskopi inframerah (IR), dan resonansi spin elektron (EPR) untuk menguraikan interaksi sinergis antara 3DGN dan RGO.

Metode

Protokol persiapan dan eksperimen degradasi mengikuti laporan kami sebelumnya [2, 5, 6]. Singkatnya, nikel busa yang ditanami 3DGN direndam dalam 50 mL amonia akuatik 25 wt % yang mengandung 50 mg campuran TiO₂–RGO (fraksi massa RGO 1–8 wt %) pada suhu kamar. Larutan dipindahkan ke autoklav dan dipanaskan ke 110 °C selama 10 jam dalam oven vakum, lalu didinginkan. Komosit yang dihasilkan dicuci dengan air deion dan dikeringkan pada 80 °C di bawah vakum selama 2 jam sebelum digunakan.

Hasil dan Pembahasan

Gambar SEM TiO₂ murni, 3DGN–TiO₂, dan RGO–3DGN–TiO₂ ditampilkan dalam Gambar 1. 3DGN menampilkan kerutan permukaan karakteristik yang disebabkan oleh ekspansi termal yang berbeda antara grafin dan substrat nikel, yang meningkatkan baik serapan polutan maupun muatan TiO₂. Ukuran rata-rata partikel TiO₂ pada komposit (10–50 nm) mengonfirmasi bahwa luas area BET tinggi 3DGN mengurangi aglomerasi [1, 2]. Analisis Raman komponen RGO menunjukkan rasio I_D/I_G rendah 0.29, yang menunjukkan defek minimal (Gambar 1d) [7]. 3DGN yang diadopsi juga menunjukkan puncak D modest, yang mencerminkan densitas defek yang dirancang [6].

Performa fotokatalitik dievaluasi melalui degradasi fenol di bawah sinar UV dan cahaya visibel. Komposit RGO–3DGN–TiO₂ mencapai konstanta laju dekomposisi 1.33 × 10⁻² min⁻¹ di bawah UV, yang melebihi TiO₂ murni, RGO–TiO₂, dan 3DGN–TiO₂ masing-masing 180 %, 70 %, dan 40 % (Gambar 2a). Di bawah iluminasi cahaya visibel, komposit juga menunjukkan aktivitas superior (Gambar 2b). Determinan kunci termasuk efisiensi penggunaan elektron dan kapasitas kemserapan polutan. Meskipun 3DGN menawarkan luas area BET besar dan grafin berkualitas tinggi untuk mempromosikan pemisahan muatan, ketidakadaan kontak antarmuka yang cukup membatasi efektivitasnya. Di sisi lain, grup fungsional RGO menyediakan situs kemserapan yang melimpah dan menghubungkan antarmuka grafin–TiO₂, seperti yang dibuktikan oleh spektral IR (Gambar 3a). Getangan Ti–O–C pada ~800 cm⁻¹ mengonfirmasi ikatan yang ditingkatkan setelah penambahan RGO [2, 5].

Pengukuran PL mengungkapkan radiasi rekombinasi yang berkurang dalam komposit, dengan RGO–3DGN–TiO₂ menunjukkan sinyal PL terlemah—yang menunjukkan efisiensi penggunaan elektron tertinggi (Gambar 3b). Spektra EPR mengonfirmasi rendemen radikal ·OH dan O₂⁻ yang lebih tinggi untuk komposit di bawah UV, yang menyoroti transfer muatan yang ditingkatkan di seluruh antarmuka grafin–TiO₂ (Gambar 3c). Sinyal EPR cahaya visibel dapat dibandingkan antara 3DGN–TiO₂ dan komposit, yang mencerminkan manfaat terbatas dari RGO tambahan dalam kondisi ini karena ketebalan lembaran yang tidak terkontrol mempengaruhi probabilitas tunnel kuantum [5].

Analisis TGA (Gambar 4) menyoroti tahap kehilangan berat yang berbeda: 100–180 °C (air yang terserap) untuk 3DGN–TiO₂, dan kehilangan tambahan 250–350 °C untuk sampel yang mengandung RGO, yang dapat dikaitkan dengan penghapusan grup fungsional sisa [5].

Kesimpulan

Modifikasi bersama TiO₂ dengan baik lembaran RGO dan 3DGN menghasilkan komposit yang secara sinergis meningkatkan performa fotokatalitik. Meskipun ketidakteraturan RGO dan densitas defek yang lebih tinggi dapat mempersingkat umur elektron, grup fungsional permukaannya secara signifikan meningkatkan kemserapan polutan dan transfer muatan di seluruh antarmuka grafin–TiO₂, sehingga mengurangi kebutuhan untuk rekayasa defek yang kompleks dari 3DGN. Komposit yang dioptimasi mencapai konstanta laju degradasi fenol 1.33 × 10⁻² min⁻¹ di bawah cahaya UV—yang jauh lebih tinggi dari sistem RGO–TiO₂ atau 3DGN–TiO₂ individu.