Degradasi Fotokatalitik yang Ditingkatkan Rhodamine B dengan Nanokomposit Ternary ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ di bawah Cahaya Matahari Simulasi

Latar Belakang

Polutan organik mengancam kesehatan lingkungan secara berkelanjutan, dan degradasi fotokatalitik telah muncul sebagai strategi remediasi yang menjanjikan dan ramah lingkungan. Sejak penemuan pionier Fujishima tentang pembelahan air yang didorong TiO₂ pada 1972, TiO₂ telah secara luas dipelajari karena stabilitas kimiawi, non-toksisitas, dan biaya rendah. Namun, jarak energi yang lebar (3,2 eV) membatasi penyerapan cahaya terlihat, menurunkan efisiensi praktisnya.

Di sisi lain, semikonduktor seperti Ag₃PO₄, Bi₂MoO₆, WO₃, dan g‑C₃N₄ menunjukkan aktivitas cahaya terlihat yang kuat. Ag₃PO₄, khususnya, memberikan performa foto‑oksidasi tinggi tetapi menderita ketidakstabilan foto karena reduksi Ag⁺ menjadi perak logam dan biaya bahan yang tinggi. Banyak strategi komposit (misalnya, TiO₂/Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/grafin) telah dilakukan untuk mengatasi kekurangan ini.

Attapulgite (ATP) adalah silikat magnesium–alumunium terhidrasi berbentuk batang yang memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi dan kemampuan adsorpsi yang baik. Morfologi batangnya menjadikannya rangka yang menarik untuk menancapkan nanopartikel fotokatalitik, namun komposit ternary berbasis ATP masih kurang dieksplorasi.

Dalam studi ini, kami sintesis nanokomposit ternary ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ melalui rute dua langkah yang sederhana. Karakterisasi menyeluruh mengungkapkan heterjunt yang kuat yang tidak hanya meningkatkan pemisahan muatan tetapi juga stabilkan Ag₃PO₄ dan mengurangi penggunaan perak, sambil mencapai degradasi RhB yang cepat di bawah cahaya matahari simulasi.

Bagian Eksperimen

Bahan

Serat attapulgite (ATP) (diameter rata-rata <100 nm, panjang <1 µm) disuplai oleh Jiangsu Qingtao Energy Science and Technology Co., Ltd. Rhodamine B (RhB, kelas analitik), EDTA disodium, tert‑butanol, klorida stearyl trimetil amonium, nitrat perak, dan fosfat dihidrogen disodium dihidrat diperoleh dari Macklin. Nanopartikel TiO₂ anatase (5–10 nm, kemurnian 99,8 %) diperoleh dari Aladdin.

Sintesis Sampel

Komposit ternary diproduksi dalam dua langkah. Pertama, serat ATP dan nanopartikel TiO₂ (rasio massa 5:2) dispersi dalam air deionis dan diaduk selama 4 jam, memungkinkan TiO₂ untuk diadsorpsi pada permukaan ATP. Setelah sentrifugasi, pencucian, dan pengeringan pada 60 °C selama 6 jam, ATP/TiO₂ diperoleh. Kedua, nanopartikel Ag₃PO₄ ditendapkan pada ATP/TiO₂ melalui co‑presipitasi sederhana: 20 mL AgNO₃ 0,1 M dicampur dengan 0,7 g ATP/TiO₂ dalam 50 mL air di bawah sonikasi selama 30 menit; kemudian 20 mL Na₂HPO₄ 0,1 M ditambahkan secara titik-titik dalam kegelapan selama 40 menit. Himpunan endap kuning terang dikoleksi, dicuci dengan etanol murni, dan dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam, menghasilkan ATP/TiO₂/Ag₃PO₄. Prosedur analog menghasilkan sampel Ag₃PO₄, Ag₃PO₄/ATP, Ag₃PO₄/TiO₂, dan ATP/TiO₂.

Karakterisasi

Data XRD dikoleksi pada diffractometer Rigaku D/max‑RB (40 kV, 30 mA). Citra SEM dilakukan pada instrumen INSPECTF FEI. Spektra UV‑vis refleksi difusa direkam pada spektrofotometer Hitachi U‑3010 dengan BaSO₄ sebagai referensi.

Eksperimen Fotokatalitik

Degradasi fotokatalitik RhB (5 mg L⁻¹) dilakukan di bawah irradiasi cahaya matahari simulasi menggunakan lampu Xe 300 W (150 mW cm⁻²). 50 mg ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ ditambahkan ke dalam 100 mL larutan RhB dan diaduk dalam kegelapan selama 40 menit untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi–desorpsi. Setelah lampu dinyalakan, alikvot (4 mL) diambil pada interval waktu yang ditentukan, di sentrifugasikan (10.000 rpm, 10 menit), dan dianalisis dengan spektroskopi UV‑vis (λ_max=554 nm). Efisiensi degradasi dihitung sebagai %D = (1–A/A₀) × 100 %.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Komposit ATP‑Ag₃PO₄‑TiO₂

Gambar 1 mengonfirmasi integritas kristal dari setiap komponen: ATP cocok dengan JCPDS #21–0958 (monoklinik), TiO₂ menunjukkan puncak anatase, dan Ag₃PO₄ selaras dengan JCPDS #06‑0505. Tidak ada fase kotoran yang muncul dalam komposit, yang menunjukkan pembuatan yang berhasil. Dalam pola ternary (Gambar 1g), puncak ATP lemah, yang menunjukkan bahwa nanopartikel TiO₂ dan Ag₃PO₄ melapisi tongkat ATP.

Citra SEM (Gambar 2) mengungkapkan ATP sebagai tongkat sub-mikron (<1 µm) dengan diameter <100 nm. Nanopartikel TiO₂ (~40 nm) menempel secara merata pada permukaan ATP, membentuk ATP/TiO₂. Dalam komposit ternary, tongkat sepenuhnya dilapisi oleh TiO₂ dan bola Ag₃PO₄ ~50 nm, menghasilkan arsitektur partikel batang yang memaksimalkan kontak antarmuka.

Spektral Penyerapan

Spektra UV‑vis (Gambar 3a) menunjukkan Ag₃PO₄ menyerap hingga ~500 nm, TiO₂ hanya menyerap dalam UV, dan ATP memiliki penyerapan lemah. Komposit ternary menggabungkan fitur ini, menghasilkan penyerapan UV yang kuat dari TiO₂ dan ATP serta respons cahaya terlihat yang diperpanjang dari Ag₃PO₄. Energi jarak energi diekstraksi dari plot Tauc: TiO₂ 3,20 eV (tidak langsung), Ag₃PO₄ 2,49 eV (langsung), ATP 3,75 eV (langsung). Komposit menunjukkan dua tepi penyerapan—385 nm (E_g 3,64 eV) dan 510 nm (E_g 2,49 eV)—yang menunjukkan retensi karakteristik TiO₂ dan Ag₃PO₄.

Aktivitas Fotokatalitik

Gambar 4a menampilkan spektral UV‑vis bergantung pada waktu dari RhB selama irradiasi dengan ATP/TiO₂/Ag₃PO₄. Puncak 554 nm hampir lenyap setelah 20 menit, yang menunjukkan degradasi >90 %. Dalam perbandingan (Gambar 4b), TiO₂ murni dan ATP mencapai <50 % pemakaian setelah 60 menit, sedangkan Ag₃PO₄ lebih baik tetapi menderita kehilangan stabilitas. Komposit ternary mencapai degradasi 81,1 % setelah hanya 3 menit dan >99 % setelah 20 menit—melampaui semua komposit biner sambil memerlukan konten Ag yang lebih sedikit.

Uji stabilitas (Gambar 5) menunjukkan bahwa Ag₃PO₄ kehilangan aktivitas setelah siklus berturut-turut karena akumulasi Ag pada permukaannya. Sebaliknya, ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ mempertahankan >95 % performa awalnya selama lima siklus, yang mengonfirmasi efek pelindung TiO₂ dan ATP dalam heterjunt.

Mekanisme yang Diusulkan dalam Proses Fotokatalitik

Uji penangkap (Gambar 6) mengidentifikasi spesies reaktif dominan: lubang (h⁺) dan radikal superoxide (O₂^•–) esensial, sementara radikal hidroksil (•OH) memainkan peran minor. Mekanisme yang diusulkan (Gambar 7) melibatkan transfer elektron dari CB TiO₂ (−0,5 eV) ke CB Ag₃PO₄ (+0,45 eV), dan migrasi lubang dari VB Ag₃PO₄ (+2,97 eV) ke VB TiO₂ (+2,70 eV). Pemisahan muatan ini mengurangi rekombinasi, meningkatkan reduksi O₂ menjadi O₂^•–, dan melindungi Ag⁺ dari fotoreduksi, sehingga meningkatkan baik aktivitas maupun stabilitas.

Kesimpulan

Kami berhasil memproduksi nanokomposit ternary ATP/TiO₂/Ag₃PO₄ melalui proses dua langkah yang sederhana. Heterjunt yang dihasilkan secara signifikan meningkatkan pemisahan muatan, yang mengarah pada degradasi RhB yang cepat dan stabil di bawah cahaya matahari simulasi. Dibandingkan Ag₃PO₄ murni, komposit memerlukan perak yang lebih sedikit, mengurangi biaya, dan menawarkan daya tahan yang unggul. Temuan ini menyediakan strategi yang dapat diskala untuk merancang fotokatalis berbasis Ag dengan performa dan keawetan yang ditingkatkan.

Singkatan

ATP

Attapulgite

BQ

Benzoquinone

CB

Conduction band

Na₂-EDTA

Etilendiamin tetraasetat disodium

RhB

Rhodamine B

TBA

Tert‑butanol

VB

Valence band