Komposit Nanosheet Ag/BiPbO₂Cl: Peningkatan Aktivitas Fotokatalitik Cahaya Visibel 3,6 Kali Lipat
Abstrak
Kami melaporkan sintesis hidrothemal dan foto-reduksi komposit nanosheet Ag/BiPbO2Cl. TEM, XRD, dan spektroskopi refleksi difusi UV‑Vis mengonfirmasi morfologi, struktur kristal, dan respons optik dari bahan-bahan tersebut. Muatan Ag 0,5 wt % menghasilkan aktivitas fotokatalitik 3,6 kali lebih tinggi daripada BiPbO2Cl murni saat mendgradasi metil oranye (MO) di bawah cahaya visibel. Peningkatan timbul dari medan elektromagnetik internal, serapan cahaya visibel yang diperluas, konduktivitas listrik yang superior, dan level Fermi Ag yang lebih rendah.
Latar Belakang
Pencemaran lingkungan dari kontaminan organik telah mendorong pengembangan fotokatalis semikonduktor, terutama ZnO dan TiO2, yang terutama menyerap cahaya ultraviole. Untuk memanfaatkan spektrum visibel yang melimpah, semikonduktor berbasis bismut seperti BiPbO2Cl—yang dikenal memiliki jarak energi sempit, medan listrik internal, dan struktur band hibrida—menarik, namun menderi rekombinasi elektron–lubang yang cepat.
Integrasi logam mulia atau grafen dengan fotokatalis dapat mengurangi rekombinasi dengan bertindak sebagai penangkap elektron. Ag, Au, dan Pt telah menunjukkan efek semacam ini. Di sini, kami menggabungkan Ag dengan BiPbO2Cl untuk meningkatkan fotokatalisis cahaya visibel.
Metode
Persiapan Komposit Nanosheet Ag/BiPbO2Cl
Nanosheet BiPbO2Cl disintesis melalui rute hidrothemal satu langkah (lihat ref. 13). Untuk muatan Ag, 1 mmol BiPbO2Cl disperdi dalam 20 mL air deion, kemudian AgNO3 ditambahkan pada 0,25, 0,5, atau 0,75 wt %. Campuran diiradiasi dengan lampu Xe 500-W (filter pemotong <420 nm) di bawah pengadukan pada suhu ruangan selama 3 jam. Bubuk yang dihasilkan dicuci, dikeringkan pada 80 °C, dan disimpan untuk analisis.
Aktivitas Fotokatalitik
Kinerja fotokatalitik dievaluasi menggunakan lampu Xe 500-W (filter pemotong >420 nm) dalam sistem fotokimia XPA. 50 mg katalis disperdi dalam 50 mL larutan MO 10 mg L−1, diaduk dalam gelap selama 1 jam untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi, kemudian diiluminasi. Spektrum UV‑Vis dicatat dengan Shimadzu UV‑2700.
Karakterisasi Sampel
XRD (Cu Kα, 1,54178 Å) dilakukan pada PANalytical X’Pert Pro. SEM (Hitachi S‑4800) dan TEM (JEOL JEM‑2011) memeriksa morfologi. Spektrum refleksi difusi UV‑Vis diperoleh pada Shimadzu UV‑2450. XPS (Pekin Elmer PHI‑5300) menyediakan kimia permukaan, dan spektrum PL (Shimadzu RF‑5301, excitasi 320 nm) menilai rekombinasi karir muatan.
Hasil dan Pembahasan
Degradasi MO di bawah cahaya visibel (>420 nm) menunjukkan ketergantungan yang jelas pada konten Ag. Komposit 0,5 wt % Ag/BiPbO2Cl mencapai aktivitas tertinggi, dengan konstanta laju degradasi sebesar 0,0158 min−1, 3,6 kali dari BiPbO2Cl murni (0,0044 min−1) (Fig. 1a,b). Ag berlebihan mengurangi luas permukaan BiPbO2Cl dan sehingga mengurangi situs fotokatalitik.
a Degradasi fotokatalitik MO; b Kinetik degradasi.
Citra SEM mengungkapkan BiPbO2Cl sebagai nanosheet tebal ~12 nm, sementara nanopartikel Ag (~10 nm) terdistribusi secara seragam pada permukaan komposit (Fig. 2). HRTEM mengonfirmasi kehadiran Ag (Fig. 2c). Pola XRD (Fig. 2d) tidak menunjukkan fase baru, yang mengindikasikan konten Ag yang rendah. Pemetaan EDS (Fig. 3) mengonfirmasi distribusi Ag yang homogen.
SEM dari BiPbO2Cl (a) dan 0,5 wt % Ag/BiPbO2Cl (b). c HRTEM; d XRD.
Pemetaan elemen EDS dari Ag/BiPbO2Cl.
Spektrum XPS (Fig. 4) mengonfirmasi kehadiran Bi3+, Pb2+, O2−, Cl−, dan Ag logam (Ag0). Puncak Ag 3d pada 368,1 dan 374,3 eV cocok dengan nilai literatur untuk Ag0 (ref. 23).
Spektrum XPS dari komposit Ag/BiPbO2Cl: a survei; b Bi 4f; c Pb 4f; d O 1s; e Cl 2p; f Ag 3d.
Serapan UV‑Vis (Fig. 5a) menunjukkan serapan cahaya visibel yang ditingkatkan (450–800 nm) karena resonansi plasmon permukaan Ag, meningkatkan rentang penyerapan cahaya. Jarak energi menyempit dari 2,05 eV (BiPbO2Cl murni) menjadi 1,68 eV (0,5 wt % Ag) (Fig. 5b). Spektrum PL (Fig. 5c) menunjukkan penurunan intensitas yang signifikan, yang membuktikan penekanan rekombinasi elektron–lubang.
Serapan UV‑Vis (a) dan emisi PL (b) dari BiPbO2Cl dan 0,5 wt % Ag/BiPbO2Cl.
Secara mekanisme, muatan Ag memperluas respons cahaya visibel, membentuk medan elektromagnetik internal dengan menyelaraskan level Fermi (Ag lebih rendah dari BiPbO2Cl), dan meningkatkan konduktivitas. Elektron yang terfotoeksitasi dalam BiPbO2Cl dengan cepat mentransfer ke Ag, di mana mereka mengurangi O2 menjadi •O2⁻, sementara lubang mengoksidasi air menjadi •OH (Fig. 6). Tindakan gabungan dari radikal ini mendorong dekomposisi MO menjadi CO2 dan H2O.
a Mekanisme fotokatalitik; b Penyeberangan band di antarmuka Ag/BiPbO2Cl.
Kesimpulan
Sintesis hidrothemal diikuti oleh foto-reduksi menghasilkan komposit nanosheet Ag/BiPbO2Cl dengan muatan Ag 0,5 wt % yang unggul dari BiPbO2Cl murni sebesar 3,6× dalam degradasi fotokatalitik cahaya visibel dari MO. Performa yang ditingkatkan berasal dari serapan cahaya yang diperluas, rekombinasi karir muatan yang terurangi, dan penciptaan medan elektromagnetik internal karena level Fermi Ag yang lebih rendah dan konduktivitas yang superior.
