Sifat Fotokatalitik Responsif Cahaya Tampak yang Disempurnakan dari Komposit Nanosheet Ag/BiPbO2Cl
Abstrak
Ag/BiPbO2 Komposit nanosheet Cl berhasil dibuat dengan sintesis hidrotermal dan reduksi foto. Morfologi, struktur mikro, dan sifat optik dari Ag/BiPbO2 yang telah disiapkan Komposit nanosheet Cl dikarakterisasi menggunakan spektroskopi refleksi difus TEM, XRD, dan UV-Vis. Ag/BiPbO2 . yang telah disiapkan Komposit nanosheet Cl dengan 0,5 berat Ag menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang baik, yaitu 3,6 kali lipat dari BiPbO2 Cl nanosheet. Sifat fotokatalitik yang ditingkatkan dapat dikaitkan dengan medan elektromagnetik bagian dalam, rentang respons cahaya tampak yang lebih tinggi, konduktivitas yang sangat baik, dan tingkat Fermi Ag yang lebih rendah.
Latar Belakang
Dalam beberapa tahun terakhir, pencemaran lingkungan menjadi semakin serius. Untuk mengatasi masalah polutan organik, bahan fotokatalitik semikonduktor telah banyak diadopsi karena keunggulannya yang unik [1,2,3,4]. ZnO, TiO2 , dan semikonduktor celah pita lebar lainnya yang populer dalam degradasi fotokatalitik polutan organik [5,6,7,8]. Namun, semikonduktor celah pita lebar hanya dapat menyerap sinar ultraviolet, yang membatasi prospek aplikasi katalis ini. Oleh karena itu, perlu dicari bahan fotokatalitik yang responsif terhadap cahaya tampak [9, 10].
Fotokatalis semikonduktor berbasis bismut memiliki karakteristik struktural yang kaya dan posisi pita valensi yang sesuai, yang dapat memenuhi persyaratan dekomposisi bahan organik [11, 12]. Diantaranya, BiPbO2 Cl dianggap terpuji karena celah pitanya yang sempit, medan listrik bawaan antara [BiPbO2 pelat ] dan [Cl], dan struktur pita hibrid [13, 14]. Namun demikian, tingkat rekombinasi lubang elektron yang cepat membatasi penerapannya di bidang fotokatalisis.
Telah dilaporkan bahwa kombinasi bahan fotokatalitik semikonduktor dengan logam mulia atau graphene dapat meningkatkan sifat fotokatalitiknya [15, 16]. Ini karena laju rekombinasi elektron dan hole yang dihasilkan foto menurun setelah peracikan. Logam mulia, seperti Au, Ag, dan Pt, telah digunakan sebagai akseptor elektron untuk memisahkan elektron dan hole yang dihasilkan foto [17, 18].
Dalam makalah ini, Ag/BiPbO2 Fotokatalis komposit Cl disintesis dengan metode hidrotermal dan fotoreduksi untuk meningkatkan sifat fotokatalitik BiPbO2 Cl nanosheet. Ag/BiPbO2 . yang telah disiapkan Komposit nanosheet Cl dengan 0,5 berat Ag menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang baik, yaitu 3,6 kali lipat dari BiPbO2 Cl nanosheet.
Metode
Persiapan Ag/BiPbO2 Komposit Cl Nanosheet
BiPbO2 Cl nanosheets disiapkan melalui metode hidrotermal satu langkah seperti yang kami gunakan sebelumnya [13]. Ag/BiPbO2 Komposit Cl disintesis dengan fotoreduksi. BiPbO2 . yang diperoleh Cl (1 mmol) didispersikan dalam 20 mL air deionisasi dengan bantuan pengadukan magnet, dan kemudian, AgNO3 dalam jumlah yang sesuai telah ditambahkan. Suspensi kemudian disinari dengan lampu Xe 500-W sambil diaduk pada suhu kamar selama 3 jam, dengan pemotongan cahaya di bawah 420 nm menggunakan filter pemutus. Granul yang dihasilkan dicuci dengan air deionisasi untuk menghilangkan bahan organik sisa dan dikeringkan di udara pada suhu 80 °C selama 2 jam. Untuk mempelajari pengaruh kandungan Ag pada aktivitas fotokatalitik BiPbO2 Cl, kandungan Ag yang ditambahkan dilambangkan sebagai 0,25, 0,5, dan 0,75 % berat.
Aktivitas Fotokatalitik
Aktivitas fotokatalitik dikarakterisasi dalam instrumen reaksi fotokimia seri XPA dengan lampu Xe 500-W dengan filter cutoff 420 nm. Karakterisasi aktivitas fotokatalitik sampel menggunakan methyl orange (MO) sebagai pewarna organik. Selama uji kinerja fotokatalitik, 50 mg Ag/BiPbO2 Serbuk komposit nanosheet Cl ditambahkan ke dalam 50 mL larutan MO (10 mg/L) dengan pengadukan terus menerus selama 1 jam dalam gelap. Spektrum serapan larutan dikumpulkan pada spektrometer Shimadzu UV-2700.
Contoh Karakterisasi
Pola difraksi sinar-X (XRD) serbuk diukur pada difraktometer sinar-X PANalytical X'Pert Pro dengan radiasi Cu Kα (1,54178 Å). Morfologi permukaan diperoleh pada mikroskop elektron pemindaian (SEM, Hitachi S-4800). Mikroskop elektron transmisi (TEM) morfologi diukur pada JEOL JEM-2011 TEM. Spektrum reflektansi difus UV-vis diukur pada Shimadzu UV-2450. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) diukur pada Pekin Elmer PHI-5300 XPS. Spektrum emisi photoluminescence (PL) diukur pada Shimadzu RF-5301 dengan panjang gelombang eksitasi pada 320 nm.
Hasil dan Diskusi
Aktivitas fotokatalitik BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Komposit Cl telah dievaluasi dengan degradasi MO di bawah penerangan cahaya tampak (> 420 nm). Konsentrasi cairan MO dicirikan oleh kekuatan penyerapan relatif pada 464 nm. Gambar 1a menunjukkan aktivitas fotokatalitik cahaya tampak dari BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Cl komposit. Sebelum degradasi, larutan MO yang mengandung fotokatalis diaduk selama 1 jam dalam lingkungan gelap untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi. Dari Gambar 1a, dapat disimpulkan bahwa efisiensi fotokatalitik BiPbO2 Komposit Cl meningkat dengan meningkatnya kandungan Ag, mencapai maksimum ketika kandungan Ag 0,5 berat. Hal ini mungkin disebabkan oleh penyerapan elektron yang dihasilkan oleh foto oleh Ag, yang mengakibatkan penurunan laju rekombinasi lubang elektron yang dihasilkan oleh foto, sehingga meningkatkan aktivitas fotokatalitiknya. Dengan meningkatnya kandungan Ag, efisiensi fotokatalitiknya menurun. Ketika kandungan Ag semakin meningkat, kandungan BiPbO2 Cl juga menurun, menghasilkan penurunan jumlah pembawa yang dihasilkan oleh foto dan juga aktivitas fotokatalitik. Gambar 1b menunjukkan kinetika reaksi fotokatalitik BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Cl komposit. Dari Gambar 1b, kita dapat menarik bahwa laju degradasi MO terhadap Ag/BiPbO2 Komposit Cl (0,0158 mnt
−1
) sekitar 3,6 kali lipat dari BiPbO2 Cl (0,0044 mnt
−1
).
a Degradasi fotokatalitik MO dengan BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Cl komposit. b Kinetika penghilangan warna MO dalam larutan
Untuk mempelajari morfologi dan mikrostruktur, SEM, TEM, dan XRD diadopsi untuk mempelajari BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Cl komposit. Dari Gambar. 2a, dapat dilihat bahwa BiPbO2 Cl ditampilkan sebagai nanosheet, dengan ketebalan sekitar 12 nm. Gambar 2b menunjukkan morfologi SEM 0,5 berat Ag/BiPbO2 Cl komposit; nanopartikel perak terdistribusi secara acak pada permukaan nanosheet BiPbO2 Kl. Diameter partikel Ag adalah sekitar 10 nm. Gambar HRTEM (Gbr. 2c) juga mengungkapkan keberadaan Ag. Keberadaan Ag lebih lanjut dibuktikan dengan XPS. Gambar 2d menunjukkan XRD BiPbO2 Cl dan 0,5 berat Ag/BiPbO2 Cl komposit. Dibandingkan dengan pola XRD dari BiPbO2 Cl, pola Ag/BiPbO2 Komposit Cl tidak memiliki perubahan yang jelas, yang mungkin disebabkan oleh jumlah Ag yang rendah. Analisis komposisi diukur dengan EDS (Gbr. 3). Unsur Bi, Pb, O, Cl, dan Ag diamati dalam sampel. Selain itu, pemetaan unsur EDS menunjukkan bahwa unsur Ag tersebar merata di seluruh Ag/BiPbO2 Cl komposit.
SEM BiPbO2 Cl (a ) dan 0,5 berat Ag/BiPbO2 Komposit Cl (b ). c Gambar TEM resolusi tinggi dari 0,5 berat Ag/BiPbO2 Cl komposit. d XRD sampel
Pemetaan EDS elemen Ag/BiPbO2 Cl komposit
Untuk mempelajari keadaan kimia permukaan sampel, analisis XPS diadopsi untuk mempelajari Ag/BiPbO2 Cl komposit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, keberadaan Bi, Pb, O, Cl, dan Ag dapat diamati pada spektrum XPS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, puncak Bi 4f7/2 dan Bi 4f5/2 masing-masing terletak pada 159,1 dan 164,5 eV, yang konsisten dengan karakteristik Bi
3+
[19, 20]. Puncak Pb 4f7/2 dan Pb 4f5/2 terletak pada 137,9 dan 142,8 eV (Gbr. 4c), yang konsisten dengan karakteristik Pb
2+
[21]. Puncak O 1s terletak pada 529,8 eV, yang termasuk dalam O
2−
dari ikatan Bi–O (Gbr. 4d). Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 4e, dua puncak Cl 2p berada pada 197.8 dan 199.4 eV, yang konsisten dengan karakteristik Cl
1−
[22]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4f, dua puncak 368,1 dan 374,3 eV diamati, yang sesuai dengan Ag 3d3/2 dan Ag 3d5/2 , masing-masing. Menurut hasil yang dilaporkan oleh Zhang et al. [23], puncak pada 368,6 dan 374,6 eV dapat dikaitkan dengan Ag
0
.
Spektrum XPS Ag/BiPbO2 Cl komposit. a Survei, b Bi 4f, c Pb 4f, d O 1s, e Cl 2p, dan f Ag 3d
Dibandingkan dengan BiPbO kuning2 Cl nanosheets, warna Ag/BiPbO2 Komposit Cl menjadi lebih gelap dengan meningkatnya kandungan Ag. Spektrum serapan UV-vis BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Komposit Cl ditunjukkan pada Gambar 5a. Penyerapan kuat di bawah panjang gelombang 600 nm dikaitkan dengan celah pita optik BiPbO2 Kl. Setelah memuat Ag di permukaan BiPbO2 Cl, absorbansi pada kisaran 450–800 nm lebih tinggi daripada BiPbO murni2 Cl, yang disebabkan oleh sifat penyerapan plasmon permukaan yang disebabkan oleh komposit Ag dan BiPbO2 Cl [24]. Akibatnya, setelah pemuatan Ag pada permukaan BiPbO2 Cl, rentang respons cahaya tampak dari BiPbO2 Cl meningkat. Celah pita yang dihitung dari Gambar 5a ditunjukkan pada Gambar 5b. Setelah disenyawakan dengan Ag, celah pita BiPbO2 Cl menurun dari 2,05 menjadi 1,68 eV. Selain itu, spektrum emisi fotoluminesensi BiPbO2 Cl dan Ag/BiPbO2 Komposit Cl dilakukan untuk mencerminkan laju rekombinasi elektron dan hole yang dihasilkan foto. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, intensitas PL menurun drastis setelah pemuatan Ag pada permukaan BiPbO2 Cl, yang dikaitkan dengan transfer cepat elektron yang dihasilkan oleh foto dari BiPbO2 Cl menjadi Ag, menyebabkan penurunan laju rekombinasi elektron dan hole yang dihasilkan foto [25].
Spektrum serapan UV-vis (a ) dan spektrum emisi fotoluminesensi (b ) dari BiPbO2 Cl dan 0,5 berat Ag/BiPbO2 Cl komposit (c )
Prinsip aktivitas fotokatalitik yang tinggi untuk Ag/BiPbO2 Cl komposit adalah sebagai berikut. Pertama-tama, rentang respons cahaya tampak ditingkatkan dengan komposisi Ag dan BiPbO2 Kl. Kedua, pemuatan Ag pada permukaan BiPbO2 Cl bisa menghasilkan medan elektromagnetik dalam. Ketika BiPbO2 Permukaan semikonduktor Cl bersentuhan dengan Ag, redistribusi pembawa direalisasikan. Karena kadar Fermi Ag lebih rendah dari BiPbO2 Cl [26], transfer elektron terfotoeksitasi dari BiPbO2 Cl ke partikel Ag sampai tingkat Ferminya sama, sehingga membentuk medan bawaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b. Elektron yang dihasilkan foto akan ditransfer dengan cepat dari BiPbO2 Cl ke Ag dengan bantuan medan elektromagnetik dalam dan konduktivitas Ag yang sangat baik. Ketiga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, elektron yang dihasilkan oleh BiPbO2 Cl akan mereduksi molekul O2 untuk membentuk O2 • spesies aktif [27]. Di sisi lain, lubang yang dihasilkan foto cenderung tetap berada di permukaan BiPbO2 Kl. Kemudian lubang tersebut akan mengubah molekul air pada permukaan BiPbO2 Cl menjadi OH• spesies aktif. Di bawah pengaruh spesies aktif O2 • dan OH•, molekul MO terurai menjadi CO2 dan H2 O. Hasil ini menunjukkan bahwa pembebanan Ag pada permukaan BiPbO2 Cl dapat menghasilkan aktivitas fotokatalitik cahaya tampak yang tinggi.
a Ilustrasi mekanistik Ag/BiPbO2 Cl komposit untuk aktivitas fotokatalitik. b Struktur pita pada antarmuka Ag dan BiPbO2 Kl. Data yang digunakan untuk BiPbO2 Cl dari referensi [26]
Kesimpulan
Singkatnya, Ag/BiPbO2 yang sangat efisien Komposit Cl dibuat dengan sintesis hidrotermal dan fotoreduksi. Ag/BiPbO 0,5 berat yang diperoleh2 Material komposit nanosheet Cl memiliki aktivitas fotokatalitik yang lebih baik, yaitu 3,6 kali lipat dari BiPbO2 Cl nanosheet. Setelah BiPbO2 Cl nanosheets dan Ag digabungkan, rentang respons cahaya tampak meningkat dan laju rekombinasi lubang elektron menurun, sehingga meningkatkan sifat fotokatalitik cahaya tampak. Properti fotokatalitik yang sangat baik dari Ag/BiPbO2 Komposit Cl dikaitkan dengan medan elektromagnetik bagian dalam, rentang respons cahaya tampak yang lebih tinggi, konduktivitas yang sangat baik, dan tingkat Fermi Ag yang lebih rendah.
