Degradasi Fotokatalitik yang Ditingkatkan Rhodamine B Menggunakan Nanokomposit SrTiO3/Bi5O7I

Abstrak

Kami melaporkan rute sintesis dekomposisi termal untuk sintetis nanokomposit SrTiO₃/Bi₅O₇I yang menggabungkan nanopartikel perovskit SrTiO₃ dengan nanoroda tetragonal Bi₅O₇I. Analisis XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS, dan PL mengonfirmasi kemurnian fase, pembentukan heterojungsi yang intim, dan pemisahan muatan yang efektif. Di bawah iradiasi matahari simulasi, komposit 30 wt % SrTiO₃/Bi₅O₇I mencapai 89,6 % penurunan Rhodamine B (RhB) dalam 150 menit—3,97 kali lebih tinggi dari Bi₅O₇I murni dan 12,5 kali lebih tinggi dari SrTiO₃. •O₂⁻ dan lubang mendominasi proses oksidasi, sementara data PL menunjukkan rekombinasi yang tertekan. Studi ini menguraikan mekanisme heterojungsi tipe-Z yang mendorong fotokatalisis superior, menawarkan biras untuk fotokatalis berperforma tinggi yang aktif cahaya terlihat.

Latar Belakang

Kontaminan pewarna dari limbah tekstil memicu risiko ekologis dan kesehatan yang parah, yang mendorong pencarian metode remediasi yang hemat biaya dan ramah lingkungan. Proses adsorpsi, koagulasi, dan oksidasi lanjutan konvensional seringkali menderita biaya operasional tinggi dan limbah sekunder. Fotokatalisis berbasis semikonduktor, terutama di bawah cahaya matahari, muncul sebagai alternatif yang menjanjikan karena sumber energi terbarunya dan produk samping minimal. TiO₂ tetap menjadi standar fotokatalis, namun jarak gap yang luas membatasi aktivitas cahaya terlihat dan mempromosikan rekombinasi elektron-lubang yang cepat. Strategi terbaru melibatkan modifikasi permukaan atau penggabungan semikonduktor untuk meningkatkan penyerapan cahaya dan pemisahan muatan.

Bi₅O₇I, oksida ioda tipe-p, memiliki valensi band yangrelatif tinggi yang menghasilkan lubang pengoksidasi kuat, tetapi menderita efisiensi transfer muatan yang buruk. Penggabungan dengan n-tipe SrTiO₃, perovskit termal stabil dengan penyelarasan band yang cocok, dapat membentuk heterojungsi yang efektif yang memfasilitasi migrasi elektron dan mengurangi rekombinasi. Pekerjaan ini mempionirkan sintesis nanokomposit SrTiO₃/Bi₅O₇I dan mengevaluasi performa fotokatalitik serta mekanisme yang mendasarinya.

Metode

Persiapan Komposit SrTiO₃/Bi₅O₇I

Nanopartikel SrTiO₃ dan precursori SrTiO₃/BiOI pertama kali disiapkan melalui rute sol-gel. Komposit kemudian ditetapkan dekomposisi termal (ramp 5 °C min⁻¹ ke 500 °c, tahan 3 jam, pendingin alami) untuk menghasilkan nanokomposit SrTiO₃/Bi₅O₇I dengan beban SrTiO₃ yang bervariasi (10–40 wt %).

Karakterisasi

Analisis fase menggunakan XRD (Cu Kα). Morfologi dan pemetaan elemen ditangkap oleh FE-SEM dengan EDS. Kimia permukaan dicoret oleh XPS. Reflektansi difusi UV-vis (DRS) menilai absorpsi optik, sementara spektroskopi PL mengevaluasi rekombinasi muatan. FTIR mengidentifikasi fungsional grup.

Evaluasi Fotokatalitik

Aktivitas fotokatalitik diukur dengan degradasi RhB di bawah lampu Xe 500 W (cahaya matahari simulasi). 100 mg katalis didispersekan dalam 100 mL RhB 20 mg L⁻¹, diaduk selama 30 min dalam gelap (ekilibrium adsorpsi), kemudian dieksitasi. Setiap 30 menit, aliquot 3 mL diungkit, dan konsentrasi RhB diukur dengan spektroskopi UV-vis.

Hasil dan Pembahasan

Analisis XRD

SrTiO₃ murni menunjukkan puncak perovskit yang diharapkan (JCPDS 35-0734). Bi₅O₇I menunjukkan refleksi tetragonal karakteristik (JCPDS 10-0548). Komposit 30 wt % menampilkan superposisi kedua pola tanpa fase sekunder, mengonfirmasi pembentukan heterojungsi yang berhasil.

Analisis XPS

Survei scan mengungkapkan Ti, Sr, Bi, I, dan O. Spektrum level inti mengonfirmasi status Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺, dan I⁻, dan puncak O 1s terpecah menjadi komponen jaringan dan terkait kosong, yang menunjukkan kosong oksigen yang membantu transfer muatan.

SEM & EDS

Partikel SrTiO₃ sferik (50–300 nm). Bi₅O₇I nanoroda (100–300 nm × 80 nm) melingkupi partikel SrTiO₃, menciptakan kontak intim. EDS mengonfirmasi konten SrTiO₃ 30 wt %.

Properti Optik

DRS menunjukkan tepi UV pada 380 nm untuk SrTiO₃ dan tepi cahaya terlihat pada 520 nm untuk Bi₅O₇I. Komposit menyerap kuat antara 480–520 nm, meningkatkan panen cahaya terlihat. Jarak gap dihitung sebagai 3,2 eV (SrTiO₃), 2,31 eV (Bi₅O₇I), dan 2,38 eV (komposit 30 wt %).

Aktivitas Fotokatalitik

Di bawah cahaya matahari simulasi, komposit 30 wt % mencapai 89,6 % penurunan RhB dalam 150 menit, melampaui kedua material murni. Konstanta laksanaan indikatif (k_app) adalah 1,45 × 10⁻² min⁻¹, 12,5 kali lebih tinggi dari SrTiO₃ dan 2,97 kali lebih tinggi dari Bi₅O₇I. Uji penggunaan kembali selama lima siklus menunjukkan kehilangan aktivitas yang dapat diabaikan, mengonfirmasi stabilitas struktural.

Wawasan Mekanisme

Studi penangkal mengungkapkan bahwa •O₂⁻ dan lubang adalah spesies oksidatif dominan; radikal hidroksil memainkan peran yang dapat diabaikan. Spektrum PL menunjukkan penurunan emisi yang tajam untuk komposit, yang menunjukkan rekombinasi elektron-lubang yang tertekan. Posisi band yang dihitung (E_VB = 2,92 eV untuk Bi₅O₇I, 2,03 eV untuk SrTiO₃) mendukung heterojungsi tipe-Z: elektron mengalir dari SrTiO₃ ke Bi₅O₇I, sementara lubang bermigrasi sebaliknya, mendorong pemisahan muatan yang efisien dan generasi •O₂⁻.

Kesimpulan

Kami telah merancang nanokomposit SrTiO₃/Bi₅O₇I melalui metode dekomposisi termal sederhana yang menghasilkan heterojungsi tipe-Z yang kuat. Komposit 30 wt % memberikan degradasi fotokatalitik yang superior RhB di bawah cahaya matahari simulasi, yang diatribusikan pada penyerapan cahaya terlihat yang ditingkatkan dan pemisahan muatan yang efisien. Temuan ini menyediakan rute yang dapat diskalakan untuk fotokatalis berperforma tinggi yang berlaku untuk pengolahan air limbah dan di luar itu.