Properti Fabrikasi dan Fotokatalitik Nanokomposit Novel SrTiO3/Bi5O7I

Abstrak

Novel SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit berhasil dibuat dengan pendekatan dekomposisi termal. Sampel yang telah disiapkan dikarakterisasi dengan spektrum XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS dan PL. Hasilnya menunjukkan bahwa SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit terdiri dari perovskit SrTiO₃ nanopartikel dan Bi₅ tetra tetragonal O₇ saya nanorod. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit menunjukkan kinerja fotokatalitik yang sangat baik untuk degradasi larutan RhB di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari, yang lebih unggul dari Bi₅ murni. O₇ I dan SrTiO₃ . Khususnya, SrTiO 30 berat₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit ditemukan sebagai komposit yang optimal, di mana degradasi pewarna mencapai 89,6% selama 150 menit fotokatalisis. Laju degradasi fotokatalitik dari 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit ditemukan 3,97 kali dan 12,5 kali lebih tinggi dari Bi₅ telanjang O₇ I dan SrTiO₃ , masing-masing. Eksperimen perangkap spesies reaktif menunjukkan bahwa \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) dan lubang adalah spesies aktif utama yang bertanggung jawab atas degradasi RhB. Selain itu, spektrum PL menjelaskan pemisahan efektif pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Selanjutnya, mekanisme fotokatalitik yang mungkin dari SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit juga dijelaskan berdasarkan bukti eksperimental.

Latar Belakang

Pewarna dari industri tekstil atau zat warna telah menimbulkan banyak perhatian terhadap dampak pada kualitas sumber daya air dan produk degradasi beracun dan karsinogenik [1]. Oleh karena itu, teknik pengolahan yang lebih kompeten diperlukan untuk menghilangkan zat warna dari air limbah. Beberapa metode konvensional yang melibatkan metode fisik, kimia, dan biologi telah diterapkan untuk remediasi pewarna dari air limbah [2]. Metode ini dapat menghilangkan pewarna dari air limbah, tetapi seringkali mahal, tidak efisien, dan menghasilkan produk limbah sekunder [3, 4]. Di antara berbagai teknologi pengolahan air limbah pewarna, fotokatalisis berbasis semikonduktor telah menerima minat besar dan menarik perhatian dunia [5,6,7]. Hal ini karena memanfaatkan energi matahari untuk penguraian zat pencemar zat warna yang sumber energinya melimpah, tidak habis-habisnya, tidak menimbulkan pencemaran, dan bebas [8, 9]. Saat ini, TiO₂ adalah fotokatalis semikonduktor yang paling banyak digunakan karena fotoaktivitasnya yang tinggi, biaya rendah, stabilitas kimia dan fotokimia, non-toksisitas, dan fitur ramah lingkungan. Namun, itu menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang sangat rendah di bawah iradiasi cahaya tampak karena celah pita lebar 3,2 eV dan rekombinasi cepat pembawa fotogenerasi [10]. Untuk memecahkan masalah yang disebutkan di atas secara efektif, banyak pekerjaan telah dikhususkan untuk modifikasi permukaan atau kombinasi fotokatalis semikonduktor [11]. Namun demikian, pengembangan fotokatalis yang baru dan sangat efisien masih menjadi tantangan utama [12].

Bi₅ O₇ I adalah semikonduktor tipe-p yang baru ditemukan, yang menunjukkan tingkat pita valensi (VB) yang relatif lebih positif daripada oksiiodida bismut lainnya dengan menyediakan lebih banyak lubang fotoeksitasi dan selanjutnya memfasilitasi pemisahan pembawa fotogenerasi [13]. Oleh karena itu, Bi₅ O₇ Fotokatalis I menunjukkan aktivitas yang tinggi untuk fotodegradasi Rhodamin B (RhB) dalam air dan asetaldehida di bawah iradiasi cahaya tampak [14]. Sayangnya, aplikasi praktis dari Bi₅ O₇ Fotokatalis I dalam dekontaminasi lingkungan masih terbatas, yang disebabkan oleh rendahnya efisiensi transfer yang disebabkan oleh rekombinasi elektron dan hole hasil fotogenerasi [15]. Untuk tujuan lebih meningkatkan fotoaktivitas Bi₅ O₇ Saya, banyak upaya telah dilakukan seperti doping dengan logam atau non-logam [16], atau kopling dengan semikonduktor lain. Misalnya, Huang et al. g-C₃ . yang disintesis N₄ /Bi₅ O₇ I heterojunction melalui metode co-kristalisasi, dan komposit menunjukkan tingkat degradasi 2,9 kali lebih tinggi daripada Bi₅ murni O₇ saya [17]; Cheng dkk. membuat Bi₅ O₇ I/Bi₂ O₃ komposit melalui metode etsa kimia, yang menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang tinggi dalam dekomposisi hijau perunggu [18]; Hu dkk. melaporkan bahwa komposit yang terdiri dari tipe-n Sr₂ TiO₄ dan tipe-p Bi₅ O₇ Saya menunjukkan fotoaktivitas yang ditingkatkan karena penghambatan rekombinasi lubang elektron [19]; Cui dkk. membuat AgI/Bi₅ O₇ I hibrid melalui reaksi ion satu langkah sederhana, dan AgI/Bi₅ O₇ I komposit meningkatkan aktivitas fotokatalitik [20], dan seterusnya. Hasil ini menunjukkan bahwa Bi₅ O₇ Komposit berbasis I menunjukkan kinerja fotokatalitik yang ditingkatkan di bawah iradiasi cahaya tampak. Oleh karena itu, kami dapat membuat Bi₅ O₇ Komposit berbasis I melalui kopling ke semikonduktor lain dengan pita konduksi (CB) dan posisi VB yang sesuai sebagai fotokatalis yang digerakkan oleh cahaya tampak yang menjanjikan. Di antara berbagai kandidat, strontium titanate (SrTiO₃ ) adalah bahan semikonduktor tipe-n, yang telah dipelajari secara ekstensif karena banyak sifat yang sangat baik, misalnya, stabilitas termal, ketahanan panas yang baik, korosi, dan ketahanan [21,22,23]. SrTiO murni₃ hanya menyerap sinar UV karena celah pita lebarnya 3,1~3,4 eV [24]. Untungnya, VB dari SrTiO₃ diposisikan antara CB dan VB Bi₅ O₇ I, sedangkan CB-nya berada di atas CB Bi₅ O₇ I. Mempertimbangkan manfaat struktural dari Bi₅ O₇ I, kombinasi SrTiO₃ dengan Bi₅ O₇ Saya membentuk SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Komposit I mungkin merupakan cara yang layak dan disarankan untuk mewujudkan aktivitas fotokatalitik yang tinggi.

Dalam karya ini, serangkaian SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I fotokatalis nanokomposit pertama kali disintesis. Fase kristal, struktur mikro, dan sifat optiknya diselidiki dengan serangkaian teknik. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit menunjukkan kinerja fotokatalitik yang ditingkatkan dalam degradasi larutan Rhodamin B (RhB) di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari. Selanjutnya, mekanisme fotokatalitik yang mungkin dari SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit juga dijelaskan berdasarkan bukti eksperimental.

Metode

Persiapan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I Komposit

SrTiO₃ nanopartikel dan SrTiO₃ Komposit /BiOI pertama kali disintesis melalui metode sol-gel seperti yang dijelaskan dalam literatur [25, 26]. SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Komposit I kemudian disintesis dengan rute dekomposisi termal. Semua reagen kimia digunakan langsung untuk percobaan tanpa pemurnian lebih lanjut. Selama dekomposisi termal, SrTiO₃ Komposit /BiOI ditempatkan ke dalam tungku tabung, dan program pemanasan ditetapkan sebagai berikut:ramping pada 5 °C min^− 1 hingga 500 °C terus menerus dan tahan pada suhu 500 °C selama 3 jam. Kemudian, tungku didinginkan secara alami hingga suhu kamar untuk mendapatkan 10 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. SrTiO lainnya₃ /Bi₅ O₇ Bahan nanokomposit dengan SrTiO berbeda₃ konten dibuat dengan metode serupa.

Contoh Karakterisasi

Struktur kristal sampel hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (XRD) dengan Cu K_α radiasi (D/max-2500, Rigaku). Morfologi sampel diselidiki oleh mikroskop elektron pemindaian emisi medan resolusi ultratinggi (FE-SEM; SUAPR55, Germany Zeiss) dengan spektroskopi sinar-X (EDS) dispersi energi. Komponen unsur permukaan dan keadaan kimia sampel dianalisis dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS; Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, UK) dengan Al K_α monokromatis. Sumber sinar-X (hν = 1486,6 eV). Ultraviolet-tampak (UV-vis) spektrum reflektansi difus (DRS) diperoleh dengan menggunakan spektrofotometer UV-vis (UV-2450, Shimadzu). Gugus fungsi pada permukaan sampel diselidiki dalam spektroskopi inframerah transformasi fourier Nicolet iS50 (FTIR; Thermo Fisher Scientific, USA). Spektrum emisi fotoluminesensi (PL) diukur pada spektrometer fluoresensi kondisi tunak LH110911.

Studi Evaluasi Fotokatalitik

Aktivitas fotokatalitik bahan dievaluasi melalui dekomposisi RhB di bawah simulasi penyinaran sinar matahari (sinar UV) dalam peralatan fotoreaksi. Setelah 30 menit adsorpsi dalam kegelapan, adsorpsi-desorpsi berada pada kesetimbangan antara fotokatalis dan molekul RhB. Lampu xenon 500 W digunakan sebagai sumber cahaya matahari (lampu UV) yang disimulasikan. Seratus miligram fotokatalis terdispersi sempurna dalam 100 mL larutan RhB (20 mg/L). Selama setiap percobaan fotokatalitik, 3 mL suspensi dipipet keluar setiap 30 menit dan disentrifugasi untuk menghilangkan partikel katalis. Konsentrasi RhB diukur menggunakan spektrofotometer UV-vis.

Hasil dan Diskusi

Analisis XRD

Pola XRD serbuk memberikan informasi struktur kristal dan fase dari sampel yang disintesis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. SrTiO₃ sampel sangat mengkristal dengan struktur perovskit (JCPDS no. 35-0734). Puncak difraksi pada 2θ nilai 22.75°, 32.39°, 39.95°, 46.47°, 52.34°, 57.78°, 67.82°, dan 77.18° dapat diindeks ke (100), (110), (111), (200), (210), (211), (220), dan (310) bidang kristal, masing-masing [27]. Tidak ada puncak difraksi spesifik lainnya yang terdeteksi. Dari pola XRD Bi₅ pure murni O₇ I, terlihat bahwa puncak-puncak difraksi utama pada 7,71°, 13,31°, 15,38°, 23,19°, 28,08°, 31,09°, 33,43°, 46,28°, 47,69°, 53,45°, 56,51°, dan 58,02° bersesuaian. ke (001), (201), (002), (401), (312), (004), (020), (024), (224), (714), (332), dan (624) pesawat Bi₅ O₇ I (JCPDS No. 10-0548), masing-masing [28]. Puncak terkuat sesuai dengan (312) bidang kristal Bi₅ O₇ I. Dari pola XRD dari 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit, dapat ditemukan bahwa semua puncak difraksi yang menonjol timbul dari Bi₅ tetragonal O₇ I dan perovskit SrTiO₃ . Tidak ada puncak pengotor lain yang diamati, yang menunjukkan bahwa Bi₅ O₇ I dan SrTiO₃ fase hidup berdampingan dalam komposit.

Pola XRD Bi₅ . murni O₇ Saya, SrTiO₃ dan 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Analisis XPS

Pengukuran XPS memberikan informasi lebih lanjut untuk evaluasi komposisi unsur permukaan dan kemurnian 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Energi ikat yang diperoleh dalam analisis XPS dikoreksi untuk pengisian spesimen dengan merujuk C 1 s ke 284,65 eV, dan hasilnya ditampilkan pada Gambar. 2. Spektrum pemindaian survei XPS dari komposit ditunjukkan pada Gambar 2a, yang mengungkapkan keberadaan unsur Ti, Sr, Bi, I, dan O dalam komposit. Dua puncak kuat pada 159,02 dan 164,25 eV masing-masing ditetapkan ke Bi 4f_5/2 dan Bi 4f_7/2 puncak Bi³⁺ di SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b [29]. Dalam spektrum XPS I 3d yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, dua puncak kuat pada 617,88 dan 630,22 eV, sesuai dengan I 3d_5/2 dan saya 3d_3/2 , masing-masing, menyarankan keadaan oksidasi 1 yodium [30]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, energi ikat Ti 2p_3/2 dan Ti 2p_1/2 sesuai dengan puncak masing-masing pada 457,90 dan 463,80 eV dalam spektrum Ti 2p. Pemisahan puncak antara Ti 2p_3/2 dan Ti 2p_1/2 adalah 5,90 eV, yang menunjukkan keadaan oksidasi + 4 Ti dalam SrTiO3/Bi₅ O₇ Saya komposit [31]. Pada Gambar. 2e, puncak pada 132,50 dan 134,25 eV sesuai dengan energi ikat Sr 3d_5/2 dan Sr 3d_3/2 , masing-masing, menunjukkan keberadaannya di Sr²⁺ negara [32]. Pada Gbr. 2f, puncak pada 529,65 dan 531,25 eV dikaitkan dengan O 1 s. Puncak pada 529,65 eV dianggap berasal dari oksigen kisi SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit, dan puncak pada 531,25 eV umumnya dikaitkan dengan oksigen chemisorbed yang disebabkan oleh kekosongan oksigen [33]. Hasil XPS selanjutnya mengkonfirmasi pembentukan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit, dan integrasi yang erat telah tercapai, yang sangat sesuai dengan hasil XRD.

Pola XPS dari SrTiO 30% berat₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit:a survei, b Bi 4f, c Saya 3d , d Ti 2p, e Sr 3d, dan f O1

Analisis SEM dan EDS

Komposisi permukaan dan morfologi SrTiO murni yang disiapkan₃ , Bi₅ O₇ I dan 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit diamati dengan FE-SEM. Seperti yang terlihat pada Gambar. 3a, SrTiO murni₃ terdiri dari partikel bulat atau bola dengan diameter dalam kisaran 50~300 nm. SrTiO berukuran lebih kecil₃ partikel jelas dikumpulkan bersama sampai batas tertentu. Pada Gambar. 3b, untuk Bi₅ O₇ Saya nanosheet, mereka memiliki ukuran rata-rata sekitar 1 μm dan ketebalan dalam kisaran 80~100 nm, yang serupa dengan yang dilaporkan sebelumnya [13]. Sebaliknya, setelah kombinasi Bi₅ O₇ I bukan dari nanosheet tetapi morfologi nanorod, yang dibangun oleh banyak nanorod, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Untuk Bi₅ O₇ I nanorods, panjangnya berkisar 100~300 nm dan diameter rata-rata sekitar 80 nm. Terlihat jelas bahwa SrTiO₃ partikel melekat erat pada permukaan Bi₅ O₇ Saya nanorods, dan dianggap menguntungkan untuk kinerja fotokatalitik. Selanjutnya, EDS digunakan lebih lanjut untuk menganalisis komposisi kimia dari 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, sinyal C yang diamati dapat diturunkan dari perekat konduktif yang digunakan untuk memperbaiki sampel. Perlu dicatat bahwa EDS cocok digunakan untuk penentuan kuantitatif kandungan unsur berat (misalnya, Bi, Ti, I, dan Sr), tetapi tidak untuk unsur ringan (misalnya, P dan O) [34]. Rasio atom Bi terhadap I diperoleh sebagai 11/63 dari spektrum EDS, yang sesuai dengan rasio atom Bi/I Bi₅ O₇ saya fase. Rasio atom Sr/Bi sangat mendekati 1/12,5, menyiratkan bahwa SrTiO₃ fase menyumbang sekitar 30% dari total kandungan molar komposit.

Gambar SEM dari a SrTiO murni₃ , b murni Bi₅ O₇ Saya, c 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit, dan d Spektrum EDS dari 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Analisis Properti Optik

Spektrum UV-vis DRS dari katalis yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4a. SrTiO murni₃ menunjukkan tepi pita serapan pada 380 nm di wilayah UV, yang mungkin dikaitkan dengan energi celah pita lebar [35, 36]. Bi₅ O₇ Saya menunjukkan tepi serapan yang jauh lebih panjang yaitu 520 nm, yang dapat merespons cahaya tampak. Tepi penyerapan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit berukuran 480~520 nm. Dibandingkan dengan SrTiO murni₃ , setelah digabungkan dengan Bi₅ O₇ I nanosheets, intensitas puncak penyerapan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit meningkat secara signifikan.

a Spektrum DRS dari SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit dan b plot Tauc dari (Ahν)^1/2 versus hν Bi₅ pure yang murni O₇ I dan 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit, plot Tauc dari (Ahν)² versus hν SrTiO murni₃ sisipkan gambar b

Berdasarkan spektrum penyerapan, E _g semikonduktor dapat dihitung dari Aһν = A (һν E _g )^{n /2} persamaan [37]. Nilai n untuk SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ Saya 4 dan 1, masing-masing. Energi celah pita SrTiO₃ dapat diperkirakan dari plot (Aһν)² versus energi ploton (һν), dan energi celah pita Bi₅ O₇ Saya dapat diperkirakan dari plot (Aһν)^1/2 versus . Perpotongan garis singgung dengan X sumbu memberikan perkiraan energi celah pita sampel seperti yang ditampilkan pada Gambar 4b. Nilai energi celah pita Bi₅ . murni O₇ Saya, 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit dan SrTiO murni₃ masing-masing sekitar 2,31, 2,38, dan 3,2 eV, yang konsisten dengan nilai yang dilaporkan dalam literatur yang relevan [38, 39].

Analisis Spektroskopi FTIR

Bi₅ O₇ I dan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit selanjutnya dikarakterisasi menggunakan spektroskopi FTIR untuk menganalisis ikatan kimianya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Dapat dilihat bahwa di hampir semua sampel pita adsorpsi 3445,5 dan 1621,9 cm⁻¹ adalah karena getaran peregangan O-H dan getaran deformasi molekul air yang diserap secara kimia [40]. Pita pada 2906,5 cm⁻¹ dianggap berasal dari getaran peregangan Ti-O [41]. Puncak lainnya dalam kisaran 1471,6–500 cm⁻¹ sesuai dengan mode peregangan dan deformasi yang melibatkan ikatan Bi–O [42].

Spektrum FTIR Bi₅ pure murni O₇ I dan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Aktivitas Fotokatalitik

Sebagai Bi₅ O₇ I dan SrTiO₃ memiliki penyerapan foto yang sangat berbeda dan SrTiO₃ terutama menanggapi sinar UV, sinar matahari simulasi dan sinar UV di bawah kondisi yang sama secara terpisah digunakan sebagai sumber cahaya untuk mengeksplorasi kinerja fotokatalitik Bi₅ O₇ Saya, SrTiO₃ , dan SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Gambar 6a menampilkan kurva degradasi RhB di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari. Terlihat bahwa RhB stabil dan hampir tidak terdekomposisi tanpa katalis di bawah simulasi penyinaran matahari selama 150 menit. SrTiO murni₃ menunjukkan aktivitas katalitik sedang, dan hanya 18% pengurangan RhB yang dicapai setelah penyinaran 150 menit. Hal ini disebabkan oleh penyerapan cahaya yang rendah dari SrTiO₃ di wilayah cahaya tampak atau energi celah pita yang besar. Murni Bi₅ O₇ Saya menampilkan aktivitas yang sangat berbeda yang menurunkan lebih dari 52% RhB dalam 150 mnt. Dibandingkan dengan SrTiO murni₃ dan Bi₅ O₇ Saya, SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit menampilkan aktivitas fotokatalitik yang ditingkatkan secara signifikan dalam kondisi yang sama. Dengan peningkatan SrTiO₃ konten dari 10 hingga 40%, aktivitas fotokatalitik komposit meningkat terlebih dahulu dan kemudian menurun, dan aktivitas fotokatalitik tertinggi diamati untuk 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Untuk komposit yang optimal ini, degradasi zat warna mencapai sekitar 89,6% di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari selama 150 menit. Aktivitas tinggi seperti itu dapat dianggap berasal dari elektron fotogenerasi yang memiliki mobilitas dan pemisahan yang lebih cepat.

a Degradasi fotokatalitik larutan RhB untuk semua sampel di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari. b Plot -ln(C_t /C₀ ) vs waktu untuk semua sampel. c Degradasi fotokatalitik larutan RhB untuk semua sampel di bawah penerangan sinar UV. d Efisiensi degradasi siklus RhB melalui SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Untuk lebih memahami kinetika reaksi degradasi fotokatalitik RhB untuk fotokatalis yang berbeda, efisiensi degradasi fotokatalitik dihitung menggunakan persamaan berikut:ln(C ₀ /C _t ) = K _aplikasi t , di mana C ₀ , C _t , dan K _aplikasi masing-masing mewakili konsentrasi awal, konsentrasi pada waktu t, dan konstanta laju orde pertama semu [43]. -ln(C_t /C₀ ) menunjukkan hubungan linier yang baik dengan waktu iradiasi dan reaksi fotokatalitik termasuk dalam reaksi orde satu semu seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. k _aplikasi nilai yang diperoleh untuk Bi₅ O₇ Saya, SrTiO₃ , 10 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya, 20 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya, 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I, dan 40 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit adalah 1,16 × 10⁻³ , 4.88 × 10⁻³ , 9 × 10⁻³ , 1,06 × 10⁻² , 1,45 × 10⁻² , dan 9,24 × 10⁻³ min⁻¹ , masing-masing. Sangat mencolok bahwa 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit memanifestasikan konstanta laju reaksi fotokatalitik maksimum, yaitu sekitar 2,97 kali lebih tinggi daripada Bi₅ telanjang O₇ I, dan 12,5 kali lebih tinggi dari SrTiO murni₃ .

Kurva degradasi RhB pada semua sampel di bawah penyinaran sinar UV lebih lanjut ditunjukkan pada Gambar. 6c. Terlihat jelas bahwa fenomena tersebut mirip dengan yang terlihat pada Gambar 6a. Namun, semua sampel menunjukkan efisiensi fotokatalitik yang sangat rendah karena sedikitnya penyerapan sinar UV, dan sensitisasi zat warna berpengaruh pada aktivitas fotokatalitik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanocomposite masih menampilkan aktivitas terbaik; namun, fotodegradasi RhB hanya 40% dalam waktu 150 menit. Hasil ini menunjukkan bahwa SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit memiliki aktivitas fotokatalitik yang lebih efisien di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari.

Stabilitas dan penggunaan kembali SrTiO 30 berat₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit dilakukan dengan mengulang uji degradasi RhB. Setelah setiap siklus, SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit digunakan kembali pada siklus berikutnya sebelum dikumpulkan dengan sentrifugasi, dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan etil alkohol, dan akhirnya dikeringkan pada suhu 80 °C selama 3 jam. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d, aktivitas fotokatalitik komposit tidak menurun dengan jelas bahkan setelah daur ulang kelima di bawah simulasi penyinaran matahari, yang menunjukkan stabilitas yang baik untuk mendaur ulang 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit.

Diskusi Mekanisme Fotokatalitik

Untuk mendapatkan beberapa wawasan tentang spesies aktif yang terlibat dalam fotodegradasi SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Dalam nanokomposit, kami melakukan eksperimen perangkap spesies reaktif selama 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit untuk memastikan spesies aktif utama dalam reaksi fotokatalitik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, penambahan isopropanol (IPA) hampir tidak berpengaruh pada degradasi RhB pada SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit, yang menunjukkan bahwa tidak ada radikal •OH yang dihasilkan. Sebaliknya, penurunan yang signifikan dalam degradasi zat warna diamati setelah penambahan benzokuinon (BQ) atau garam dinatrium asam etilendiamintetraasetat (EDTA-2Na), yang menyiratkan bahwa \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{- } \) dan lubang adalah zat reaktif utama untuk fotodegradasi RhB.

Konstanta efisiensi degradasi RhB selama 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit di hadapan berbagai pemulung

Untuk menyelidiki pemisahan muatan dari fotokatalis yang disiapkan, spektroskopi PL diperkenalkan lebih lanjut. Gambar 8 menunjukkan perbandingan spektrum PL antara Bi₅ O₇ I dan 30% berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit di bawah eksitasi pada 320 nm. Spektrum PL dari kedua sampel dicirikan oleh puncak pada 497 nm, yang dikaitkan dengan emisi energi transisi celah pita Bi₅ O₇ I. Namun, ada penurunan tajam dalam intensitas 30 berat SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Fenomena ini menunjukkan pemisahan yang efisien dari pembawa fotogenerasi dalam komposit antara SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ saya.

Spektrum PL Bi₅ pure murni O₇ I nanosheets dan 30 wt% SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Untuk lebih memahami mekanisme peningkatan aktivitas fotokatalitik SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari, posisi CB dan VB yang sesuai untuk SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ Saya secara teoritis dihitung menurut \( {E}_{VB}=\chi -{E}_0+\frac{1}{2}{E}_g \) dan E _CB = E _VB E _g , di mana E _VB adalah potensi VB, E _CB adalah potensi CB, E ₀ adalah energi elektron bebas pada skala hidrogen (sekitar 4,5 eV), E _g adalah energi celah pita, dan dihitung sebagai mean geometrik dari keelektronegatifan Mulliken dari komponen dalam semikonduktor [44]. Oleh karena itu, E _VB dan E _CB dari Bi₅ O₇ Saya dihitung menjadi 2,92 dan 0,56 eV, sedangkan energi SrTiO₃ masing-masing sekitar 2,03 dan 1,15 eV. Kedua semikonduktor ini memiliki potensi pita yang sesuai dan dengan demikian dapat membangun struktur komposit.

Berdasarkan hasil di atas, ilustrasi skema pita energi yang cocok antara SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ I dan kemungkinan cara transfer biaya digambarkan pada Gambar. 9. Kedua SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ Saya senang di bawah simulasi cahaya matahari (sinar UV), dan elektron di VB dari kedua SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ Saya akan bersemangat untuk CB, lubang tetap di VB-nya. Sebagai potensi CB dari SrTiO₃ (− 1.15 eV) lebih negatif daripada Bi₅ O₇ I (+ 0.56 eV), elektron SrTiO₃ mudah disuntikkan ke CB Bi₅ O₇ I. Elektron fotogenerasi dapat bereaksi dengan O₂ untuk menghasilkan radikal superoksida spesies oksigen aktif (\( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \)), yang kemudian menginduksi degradasi RhB [45]. Di sisi lain, lubang di VB Bi₅ O₇ Saya bermigrasi ke VB SrTiO₃ , menghasilkan pemisahan yang efektif dari elektron dan lubang yang diinduksi foto. Dengan cara ini, elektron dan hole yang difotogenerasi dipisahkan secara efektif dalam SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. VB dari SrTiO₃ adalah 2,23 eV, lebih rendah dari potensial redoks •OH/H₂ O (+ 2.27 eV). Menurut laporan yang relevan [46, 47], VB dari SrTiO₃ tidak cukup untuk mengoksidasi H₂ O menjadi •OH. Ini menunjukkan bahwa \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) dan hole adalah spesies aktif oksigen utama untuk SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit dalam dekolorisasi RhB, di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari. Oleh karena itu, SrTiO₃ . yang disintesis /Bi₅ O₇ Fotokatalis nanokomposit menunjukkan kinerja fotokatalitik yang jauh lebih tinggi daripada SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ saya.

Diagram pita energi skema dan kemungkinan proses fotokatalitik SrTiO₃ /Bi₅ O₇ Saya nanokomposit

Kesimpulan

Singkatnya, novel SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit fotokatalis telah dirancang dan dibuat dengan pendekatan solvothermal digabungkan dengan dekomposisi termal. Pengukuran XRD, XPS, dan EDS menggambarkan bahwa produk tersebut memang SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Analisis DRS UV-vis menunjukkan bahwa SrTiO₃ /Bi₅ O₇ I nanokomposit memiliki kinerja penyerapan cahaya yang baik. Hasil spektrum PL menunjukkan bahwa rekombinasi pasangan elektron-hole yang diinduksi foto jelas dihambat pada SrTiO₃ /Bi₅ O₇ saya nanokomposit. Nanokomposit yang diperoleh menunjukkan stabilitas yang baik dan kapasitas daur ulang dalam proses fotokatalitik. SrTiO yang disintesis₃ /Bi₅ O₇ I fotokatalis menunjukkan properti fotokatalitik yang sangat efisien untuk degradasi RhB di bawah simulasi penyinaran cahaya matahari, yang lebih unggul dari SrTiO₃ dan Bi₅ O₇ I. The outstanding photocatalytic activity of the photocatalysts is ascribed to the efficient separation and migration of photogenerated charge carriers. The \( \bullet {\mathrm{O}}_2^{-} \) and holes are the main oxygen-active species causing the dye degradation. This work could provide insights into the design and development of other excellent photocatalytic materials for environmental and energy applications.