Kinetika Muatan Kemudi Fotokatalis Tin Niobate:Peran Kunci Struktur Fasa dan Struktur Elektronik

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan pola XRD produk yang diperoleh dengan metode hidrotermal. Fase sampel diubah dengan peningkatan nilai pH. Terlihat jelas bahwa puncak difraksi bersesuaian dengan fase murni monoklinik SnNb₂ O₆ (JCPDS 01-048-1810) sebagai nilai pH adalah 1, 3, dan 5. Sampel yang diperoleh pada pH = 7 adalah fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ yang juga dapat diamati dari SEM (File tambahan 1:Gambar S2). Dan fase-fase tersebut adalah fase murni Sn₂ Nb₂ O₇ (JCPDS 00-023-0593) ketika nilai pH adalah 9 dan 11. Dan tidak ada puncak pengotor dari fase lain yang dapat dideteksi. Ini mungkin dianggap berasal dari prekursor Sn mereka yang berbeda seperti deskripsi dalam laporan sebelumnya [39]. Perubahan struktur fasa juga diselidiki melalui spektrum inframerah (File tambahan 1:Gambar S1). Ukuran kristal rata-rata dari sampel yang disintesis dihitung menggunakan rumus Debye-Scherrer D = kλ/βcosθ [40]. Gambar 1b menunjukkan bahwa ukuran partikel rata-rata fotokatalis yang disiapkan meningkat dari 7,6 menjadi 24,7 nm untuk struktur kristal SnNb₂ O₆ dengan peningkatan pH dari 1 menjadi 7 dan menurun dari 47,0 menjadi 17,4 nm untuk Sn₂ Nb₂ O₇ dengan nilai pH hingga 11. Secara umum diketahui bahwa bahan memiliki ukuran partikel yang lebih kecil yang selalu memiliki luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dan aktivitas fotokatalitik yang lebih baik dari katalis akan dicapai, yang selanjutnya dapat dikonfirmasikan dengan hasil kinerja fotokatalitik [41]. Selain itu, kami menemukan bahwa suhu reaksi memiliki pengaruh pada pembentukan piroklor (Sn₂ Nb₂ O₇ ) seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2.

Pola difraksi sinar-X timah niobate yang dibuat dalam nilai pH yang berbeda dari larutan reaksi (1~ 11) (a ). Bilah vertikal di bawah pola mewakili data difraksi standar dari file JCPDS untuk SnNb₂ O₆ (01-084-1810) dan Sn₂ Nb₂ O₇ (00-023-0593). Hubungan antara ukuran kristal dan nilai pH larutan reaksi (b )

Morfologi dan struktur kristal SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ fotokatalis diselidiki dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (SEM) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) (Gbr. 2). Terlihat jelas bahwa sampel SnNb₂ O₆ terdiri dari banyak nanosheet tidak beraturan (Gbr. 2a, c) dan Sn₂ Nb₂ O₇ terdiri dari rumpun yang seragam (Gbr. 2b, d). Sementara itu, ukuran rumpun secara bertahap menurun seiring dengan peningkatan nilai pH (File tambahan 1:Gambar S3), yang konsisten dengan hasil ukuran kristal rata-rata pada Gambar 1b. Untuk mengidentifikasi sifat kristal halus dari sampel yang diperoleh, TEM resolusi tinggi diambil (gambar sisipan). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, ruang bidang kisi sekitar 0,285 nm sesuai dengan bidang (600) SnNb₂ O₆ , dan ruang kisi 0,611 nm identik dengan bidang (111) Sn₂ Nb₂ O₇ diilustrasikan pada Gambar. 2d.

Gambar SEM dan TEM khas SnNb₂ O₆ (a , c ) dan Sn₂ Nb₂ O₇ (b , d ). Sisipan adalah gambar HRTEM dari sampel

Secara umum, celah pita dan tingkat energi semikonduktor sangat penting dalam menentukan aktivitas fotokatalitik. Dapat dilihat bahwa semua sampel yang diperoleh memiliki serapan pada daerah yang terlihat (File tambahan 1:Gambar S4). Sementara itu, transisi celah pita dari pita valensi ke pita konduksi ditunjukkan oleh tepi curam di DRS (Gbr. 3a) [42]. Energi celah pita E _g semikonduktor (SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ ) dengan transisi elektronik tidak langsung dapat ditentukan dengan persamaan berikut:hν = A (hν−E _g ) ^1/2 , di mana , , E _g , dan A masing-masing adalah koefisien absorpsi, frekuensi cahaya datang, celah pita, dan konstanta [25, 43]. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3b, energi celah pita Sn₂ Nb₂ O₇ (2,22 eV) lebih besar dari SnNb₂ O₆ yang diperkirakan ~ 2.12 eV. Sementara itu, data eksperimen ditutup dengan celah pita yang dihitung dari SnNb₂ O₆ (~ 2.10 eV) yang berbeda dari Sn₂ Nb₂ O₇ (~ 2.3 eV), dan perbedaan antara energi pita sampel mungkin karena rasio Sn:Nb dan struktur kristal yang berbeda satu sama lain [28].

Spektrum reflektansi difus tampak UV (a ) dan celah pita optik (b ) dari SnNb yang telah disiapkan₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇

Pengukuran XPS dilakukan untuk menyelidiki komposisi kimia permukaan dan keadaan kimia dari fotokatalis. Spektrum XPS survei (Gbr. 4a) dari sampel yang disiapkan menunjukkan bahwa Sn, Nb, O, dan C ada. Spektrum XPS resolusi tinggi dari Sn 3d (Gbr. 4b) menunjukkan bahwa spektrum Sn 3d XPS dapat dibagi menjadi dua puncak dengan energi ikat ~ 486.4 dan ~ 494.8 eV di SnNb₂ O₆ , yang dikaitkan dengan Sn 3d_5/2 dan Sn 3d_3/2 dari Sn ²⁺ , masing-masing [44]. Energi ikat orbital Sn 3d untuk Sn₂ Nb₂ O₇ menunjukkan empat puncak sebagai Sn ²⁺ 3d_5/2 pada 486,4 eV, Sn ⁴⁺ 3d_5/2 pada 487.2 eV, Sn ²⁺ 3d_3/2 pada 494,8 eV, dan Sn ⁴⁺ 3d_3/2 pada 495,6 eV [45,46,47,48]. Ini menunjukkan bahwa Sn hadir di Sn ²⁺ dan Sn ⁴⁺ keadaan kimia pada permukaan Sn₂ Nb₂ O₇ . Generasi Sn ⁴⁺ keadaan kimia mungkin karena oksidasi Sn ²⁺ oleh sistem reaksi alkalinitas kuat. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4c, puncak terletak di ~ 206.9 dan ~ 209.7 eV untuk semua sampel yang sesuai dengan Nb 3d_5/2 dan Nb 3d_3/2 dan jarak pemisahan struktur sekitar 2,8 eV, menunjukkan bahwa ion Nb ada dalam bentuk Nb ⁵⁺ [49]. Gambar 4d mengilustrasikan spektrum XPS dari O 1s. Kami menyimpulkan bahwa variasi spesies oksigen permukaan setidaknya tiga jenis, karena tiga puncak dalam spektrum O1s untuk semua sampel. Energi ikat dalam spektrum O 1s pada sekitar 530.1, 531.2, dan 532,2 eV dapat ditetapkan ke oksigen kisi (O _L ), gugus hidroksil permukaan (O _S ), dan permukaan yang diserap secara kimiawi O ₂ yang mungkin terkait dengan lowongan oksigen permukaan (O _iklan ), masing-masing [50]. Terlihat bahwa O _iklan konten di SnNb₂ O₆ (11,8%) lebih tinggi dari pada Sn₂ Nb₂ O₇ (8,3%). Umumnya, O . yang lebih tinggi _iklan konten menyiratkan kemampuan adsorpsi oksigen yang lebih tinggi, yang mungkin mengharapkan kinerja fotokatalitik yang lebih tinggi [51]. Akibatnya, SnNb₂ O₆ mungkin menampilkan aktivitas fotokatalitik yang lebih besar daripada Sn₂ Nb₂ O₇ .

Spektrum XPS dari SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ . a Spektrum survei, b Sn 3d, c Nb 3d, dan d O 1s

Pada prinsipnya, struktur kristal yang berbeda menunjukkan perbedaan aktivitas fotokatalitik, karena keunikan struktur dan sifat elektroniknya [16, 18,19,20]. Kinerja fotokatalitik sampel yang diperoleh diperkirakan dengan dekomposisi jingga metil (MO) sebagai model reaksi. Sebelum iradiasi, semua suspensi diaduk dalam ruang gelap selama 120 menit untuk memastikan tercapainya kesetimbangan adsorpsi/desorpsi jingga metil pada permukaan sampel. Sedikit adsorpsi molekul MO diamati untuk semua sampel. Selain itu, fotodegradasi jingga metil tanpa katalis juga diselidiki. Jelas menunjukkan bahwa sedikit perubahan dalam konsentrasi MO yang diamati, yang menyiratkan bahwa penyinaran cahaya tampak berdampak kecil pada degradasi sendiri MO (File tambahan 1:Gambar S5). Namun, penurunan terus menerus dari puncak penyerapan karakteristik MO diamati sebagai penambahan sampel niobat timah di bawah iradiasi cahaya tampak (File tambahan 1:Gambar S5). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, semua produk timah niobate memiliki kinerja fotokatalitik terhadap degradasi MO. Hebatnya, SnNb₂ O₆ diperoleh pada pH = 1 menunjukkan aktivitas fotokatalitik tertinggi dengan efisiensi degradasi 99,6% setelah iluminasi selama 40 menit. Sementara itu, dengan meningkatnya nilai pH, aktivitas fotokatalitik sangat menurun (File 1 tambahan:Gambar S5). Kurva kinetika pada fotokatalis yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 5b. Terlihat adanya hubungan linier antara ln (C₀ /C) plot dan waktu penyinaran cahaya tampak, menunjukkan fitur reaksi kinetik orde pertama dari degradasi jingga metil [52]. Dan SnNb₂ O₆ memiliki konstanta laju degradasi maksimal (0,112 ± 0,008 min ^− 1 ). Selain itu, sampel yang disiapkan juga menunjukkan sifat pemisahan air fotokatalitik di bawah iradiasi cahaya tampak. Fotokatalitik H₂ aktivitas evolusi sampel yang diperoleh telah dievaluasi dari air dengan adanya triethanolamine (TEOA) sebagai donor elektron korban dan 1,0 berat.% Pt sebagai ko-katalitik untuk mempromosikan H₂ kegiatan evolusi. File tambahan 1:Gambar S6 menampilkan H₂ evolusi jumlah sampel yang diperoleh pada nilai pH yang berbeda. Hasilnya mengungkapkan bahwa H₂ jumlah evolusi SnNb₂ O₆ disiapkan dalam pH = 1 jauh lebih tinggi daripada yang lain. Fotokatalitik H₂ . yang optimal tingkat evolusi dicapai untuk SnNb₂ O₆ menjadi 5,94 μmol g ^− 1 h ^− 1 , yang 3,2 dan 11,4 kali lebih tinggi dari fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ diperoleh nilai pH 7 dan Sn₂ Nb₂ O₇ diperoleh dalam pH = 11 (Gbr. 5a).

Pemisahan air fotokatalitik di atas sampel. a SnNb₂ O₆ , b fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ . c Sn₂ Nb₂ O₇ dalam 5 jam awal dan degradasi MO dengan adanya fotokatalis yang disiapkan dalam 70 menit di bawah iradiasi cahaya tampak (a ), hubungan antara ln (C₀ /C) dan waktu penyinaran untuk degradasi MO pada semua sampel (b )

Mengingat hasil tersebut di atas, sangat perlu untuk mengeksplorasi asal usul perbedaan aktivitas fotokatalitik antara sampel SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ . Seperti yang kita semua tahu, pada dasarnya ada tiga langkah kunci dalam proses potocatalysis secara keseluruhan terkait dengan kinetika muatan, yaitu generasi, transfer, dan konsumsi [53]. Langkah pertama adalah pembangkitan pembawa muatan yang terutama didominasi oleh struktur pita energi dari semikonduktor yang merespons cahaya. Untuk memaksimalkan jumlah foton yang diubah menjadi pasangan elektron-lubang yang berpartisipasi dalam proses fotokatalitik, semikonduktor celah pita sempit untuk menyerap spektrum energi matahari yang lebih luas diperlukan. Seperti disebutkan di atas, energi celah pita SnNb₂ O₆ (2,12 eV) lebih kecil dari Sn₂ Nb₂ O₇ (2,22 eV). Selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, Sn menampilkan Sn ²⁺ dan Sn ⁴⁺ keadaan kimia pada permukaan Sn₂ Nb₂ O₇ . Sebagai hasil dari keberadaan Sn ⁴⁺ ion, aktivitas fotokatalitik menurun, yang dapat dikaitkan dengan Nb ⁵⁺ ion dapat diganti dengan Sn ⁴⁺ ion dan kemudian situs perangkap elektron yang terbentuk oleh Sn ⁴⁺ spesies terletak di bawah pita konduksi [23, 28]. Oleh karena itu, SnNb₂ O₆ memiliki keunggulan dalam pembangkitan muatan dibandingkan dengan Sn₂ Nb₂ O₇ di bawah iradiasi cahaya tampak.

Langkah terpenting lainnya adalah pemisahan muatan dalam proses fotokatalisis, yang secara umum merupakan faktor penentu aktivitas fotokatalitik semikonduktor. Oleh karena itu, sangat perlu untuk menekan rekombinasi lubang elektron yang merugikan selama transfer muatan. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) (Gbr. 6a) diambil untuk menyelidiki resistansi transfer muatan dan efisiensi pemisahan sampel. Data plot Nyquist dapat direproduksi dengan baik menjadi resistensi penyebaran solusi (R s), resistansi transfer muatan (Rct) (inset dari Gambar 6a) secara paralel dengan elemen fase konstan (CPE) [54, 55]. Rct untuk (SnNb₂ O₆ ), b (fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ ), dan c (Sn₂ Nb₂ O₇ ) sampel masing-masing adalah 16,1, 35,5, dan 41,7 KΩ. SnNb₂ O₆ sampel dengan Rct terkecil biasanya menunjukkan resistansi yang lebih rendah daripada yang lain. Menurut laporan sebelumnya, semikonduktor memiliki Rct yang lebih kecil yang selalu mencapai efisiensi pemisahan yang lebih tinggi dari pembawa fotogenerasi dan transfer muatan antarmuka yang lebih cepat selama proses fotokatalitik [56]. Lebih lanjut, melalui respons arus foto transien, kami dapat memberikan pemahaman mendalam untuk efisiensi pemisahan dan transfer pembawa fotogenerasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, semua sampel menunjukkan respons arus foto yang cepat dan dapat direproduksi pada setiap pencahayaan. Seperti yang diamati, kerapatan arus foto transien SnNb₂ O₆ adalah lebih tinggi dari yang lain. Secara umum, kerapatan arus foto yang tinggi biasanya menunjukkan kemampuan yang lebih kuat untuk mendorong perpindahan elektron dan menekan rekombinasi muatan, yang akhirnya berkontribusi pada peningkatan kinerja fotokatalitik [57, 58]. Berdasarkan analisis EIS dan respons arus foto transien, pemisahan muatan yang efisien dan peningkatan konduktivitas listrik dicapai pada SnNb₂ O₆ dibandingkan dengan yang lain, yang dapat memprediksi peningkatan kinerja fotokatalitik.

Plot Nyquist EIS dari (SnNb₂ O₆ ), b (fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ ), dan c (Sn₂ Nb₂ O₇ ) sampel (a ). Perbandingan respons arus foto sementara sampel dengan siklus hidup/mati lampu di bawah penyinaran cahaya putih (netral) (LED 690 lm, [Na₂ JADI₄ ] = 0.2 M) (b ). Spektrum serapan transien diukur pada waktu tunda 0,3 md (c ). Kinetika peluruhan serapan transien dari sampel yang disiapkan pada panjang gelombang eksitasi 600 nm (d )

Pada dasarnya, mekanisme fotokatalitik dan dinamika pembawa juga dapat diselidiki dengan spektroskopi time-resolved [59]. Untuk menentukan lebih lanjut dinamika keadaan tereksitasi termasuk pemisahan muatan, perangkap elektron dan rekombinasi pada permukaan material, digunakan pengukuran spektroskopi serapan transien (TAS) [15]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c, semua sampel menunjukkan penyerapan yang luas dan berkelanjutan dalam kisaran 550–800 nm dengan eksitasi oleh laser pulsa pada 532 nm. Menurut literatur sebelumnya, penyerapan luas di wilayah cahaya tampak dapat dianggap berasal dari pemisahan efektif dari muatan yang diinduksi foto pada keadaan perangkap yang berbeda dalam semikonduktor [60,61,62]. Sebagai intensitas penyerapan transien pada waktu tunda pemantauan yang sama dan panjang gelombang sering mewakili efisiensi pemisahan muatan relatif [63]. Dari Gbr. 6c, terlihat jelas bahwa efisiensi pemisahan muatan sangat meningkat di SnNb₂ O₆ dibandingkan dengan Sn₂ Nb₂ O₇ Sampel. Penyiapan buatan sendiri dengan panjang gelombang eksitasi 600 nm digunakan untuk menganalisis dinamika pembawa muatan dari sampel yang diperoleh. Hasil pada Gambar. 6d dengan jelas menunjukkan bahwa fitur multi-eksponensial ditunjukkan dari kurva peluruhan untuk semua sampel. Selanjutnya, waktu efektif sampel dapat dihitung menurut penelitian sebelumnya [64]. Masa pakai efektif untuk (SnNb₂ O₆ ), b (fase campuran dari SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ ), dan c (Sn₂ Nb₂ O₇ ) sampel masing-masing adalah 0,273, 0,271, dan 0,264 md. Jelas, masa pakai SnNb₂ O₆ sampel lebih besar dari yang lain. Kita semua tahu bahwa masa pakai yang lebih lama selalu menunjukkan peningkatan efisiensi pemisahan lubang elektron fotogenerasi [65, 66]. Oleh karena itu, status pemisahan muatan SnNb yang relatif lama₂ O₆ menjanjikan efisiensi pemisahan muatan dan aktivitas fotokatalitik yang lebih tinggi.

Biasanya, peningkatan adsorpsi permukaan dan peningkatan situs aktif di permukaan memiliki dampak yang sangat penting pada langkah konsumsi muatan selama proses fotokatalitik. Telah diketahui secara umum bahwa situs aktif permukaan memainkan peran kunci dalam aktivitas fotokatalitik semikonduktor. Oleh karena itu, luas permukaan mungkin memiliki pengaruh penting pada kinerja fotokatalitik dari produk yang disiapkan. Secara umum, luas permukaan yang lebih besar sering memiliki aktivitas fotokatalitik yang lebih tinggi karena situs yang lebih aktif di permukaan. Kurva isoterm dari sampel yang diperoleh menunjukkan fitur tipe IV dalam klasifikasi Brunauer-Deming-Deming-Teller, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 7. Luas permukaan BET dari a (SnNb₂ O₆ ), b (fase campuran SnNb₂ O₆ dan Sn₂ Nb₂ O₇ ), dan Sn₂ Nb₂ O₇ adalah 44, 37, dan 60 m ² /g, respectively (inset of Fig. 7). Obviously, the BET surface area of the SnNb₂ O₆ was smaller than Sn₂ Nb₂ O₇ and lager than the other one. Generally speaking, the samples with a smaller particle size always lead to higher specific surface area. However, the result of BET area was inconsistent with the particle size shown in Fig. 1b and the photocatalytic performance as shown in Fig. 5, which predicted the BET surface area had a minor impact on the photocatalytic performance of the semiconductors. Moreover, photocatalyst with a planar structure and a smaller size usually was beneficial to accelerating the transfer of photogenerated charge carriers from semiconductor interior to the reaction sites on surface and as a consequence the photocatalytic activity was improved [19, 67]. Thus, the SnNb₂ O₆ sample which possessed the structure of nanosheets and the smallest average crystallite size shown in Fig. 1b had the superiority in the photocatalytic activity.

Nitrogen adsorption-desorption isotherms of the as-prepared samples (a SnNb₂ O₆ , b the mixed phases of SnNb₂ O₆ and Sn₂ Nb₂ O₇ , dan c Sn₂ Nb₂ O₇ ). Inset figure shows the BET surface area as a function of pH value of the reaction solution

As reported, it included four types of reactive species such as holes (h ⁺ ), electron (e ⁻ ), superoxide radicals (O₂ ^−• ), and/or hydroxyl radicals (OH ^• ) during the photocatalytic degradation of organic pollution [68]. In order to trace the effective radical species in the photocatalytic process, a series of controlled experiments by adding corresponding active species scavengers were carried out [69]. Briefly, 0.001 g of benzoquinone (BQ) was added to trap superoxide radical (O₂ ^−• ), and 0.1 g of ammonium oxalate (AO) was added to trap hole (h ⁺ ). Furthermore, the controlled experiments was proceeded by adding 2.5 mL carbon tetrachloride (CCl₄ ) as an electron scavenger (e ⁻ ) and 2.5 mL of tert-butyl alcohol (TBA) as a hydroxyl radical scavenger (OH ^• ) [70, 71]. It was clear that the photodegradation rate of MO decreased significantly when TBA, BQ, and AO were added under visible light irradiation (Fig. 8a). Meanwhile, the photocatalytic activity was improved with the addition of CCl₄ . This may be due to the separation efficiency of photogenerated carriers that was enhanced with the addition of CCl₄ as the electron scavenger, and then more holes and the corresponding active species were participated in the photocatalytic reaction, which would improve the degradation rate [72]. Based on the above result, the main active species in the photocatalytic decomposition of MO were included the oxidation reaction of the holes which generated in the valence and the formed O₂ ^−• and OH ^• on the surface of semiconductor. To further elucidate the actives involved in the photocatalytic process, electron paramagnetic resonance (EPR) technique was taken. 5, 5-Dimethyl-1-pyrroline-N -oxide (DMPO) was used as a spin trap to capture hydroxyl radical and superoxide species [73]. As shown in Fig. 8b, the characteristic EPR signal of DMPO-O₂ ^−• was detected under the visible light irradiation and the intensity gradually increased with the increase of irradiation time. The result of the investigation of DMPO-OH ^• adduct was presented in Fig. 8c which indicated that the active species of OH ^• was generated in the process of photocatalytic under visible light irradiation and the signal increased with prolonged irradiation time. The formation of the OH ^• dan O₂ ^−• active species in the process of the photocatalytic was determined by EPR technique. Meanwhile, the EPR analysis gave a direct evidence that the dominated active species during the photocatalytic decomposition MO were OH ^• dan O₂ ^−• .

Effects of different scavengers on methyl orange degradation in the presence of SnNb₂ O₆ under visible light irradiation (a ). EPR spectra obtained from SnNb₂ O₆ containing 0.22 M DMPO and 4.0 mg catalyst with total volume of 90% methanol/10% water (b ) and 2 mL water (c ) under different visible light irradiation time

The Mott-Schottky analysis was carried out to determine the flat band potential (E _fb ) and conduction band (CB) edges of the photocatalysts [74,75,76]. The positive slope was observed in the Schottky plots of all the products shown in Additional file 1:Figure S7 which demonstrated that the photocatalysts were assigned to n-type semiconductors [77, 78]. The flat band potentials (E _fb ) of the samples can be estimated using the extrapolation of the Mott-Schottky plot at the frequency of 1000 Hz and found to be − 0.685 eV for the SnNb₂ O₆ , − 0.67 eV for the mixed phases of SnNb₂ O₆ and Sn₂ Nb₂ O₇ , and − 0.626 eV for the Sn₂ Nb₂ O₇ . It was known that the conduction band potentials of n-type semiconductors were closed to the flat potential [39, 79, 80]. Hence, the positions the conduction band of the prepared samples were − 0.685, − 0.67, and − 0.626 eV for SnNb₂ O₆ , the mixed phases of SnNb₂ O₆ and Sn₂ Nb₂ O₇ , and the Sn₂ Nb₂ O₇ , respectively (inset of Additional file 1:Figure S6). From the results of the MS analysis, we can see that the variation of the phase structure from SnNb₂ O₆ to Sn₂ Nb₂ O₇ accompanied with the change of the band edge potentials. Meanwhile, the valence band of the sample can be evaluated by the band gap data (E _g  = 2.12 eV) determined by the UV-vis spectra (Fig. 3), and the valence band of SnNb₂ O₆ was 1.435 eV. This result was closed to previous reported results of the conduction band (− 0.68 eV) and valence band (1.42 eV) edge potentials of SnNb₂ O₆ [43].

On the basis of the above experimental results, a possible photocatalytic mechanism was described as follows. For SnNb₂ O₆ , the conduction band (CB) and valence band (VB) edge potentials are − 0.685 and 1.435 eV, respectively. Under visible light irradiation, the photogenerated electrons were excited from the valence band to the conduction band of SnNb₂ O₆ to reduction oxygen, while the photogenerated holes on the valence band of SnNb₂ O₆ reacted with the contaminant and lead to the decomposition of methyl orange. The photogenerated electrons in the conduction band of SnNb₂ O₆ reacted with electron acceptors including O₂ existed in the system, leading to the formation of O₂ ^−• active species and the subsequent degradation of methyl orange. The generated O₂ ^−• radical species reacted with electrons in succession to produce active OH ^• , leading to the degradation of MO [81].