Fotokatalisis Cahaya Visible Tingkat Tinggi melalui Nanokomposit Z-Scheme BiOBr0.3I0.7/Ag/AgI In-Situ

Abstrak

Serangkaian fotokatalis Z-scheme semua padat yang terdiri dari BiOBr_0.3I_0.7, Ag, dan AgI disintesis melalui rute presipitasi in-situ dan foto-reduksi. Bajo iradiasi cahaya visibel, komposit BiOBr_0.3I_0.7/Ag/AgI menunjukkan performa fotokatalisis yang jauh lebih tinggi daripada BiOBr_0.3I_0.7 atau AgI sendiri dalam degradasi metil oranye (MO). Katalis optimum, yang mengandung 15 % Ag menurut berat, mencapai 89 % pengeliminasi MO dalam 20 menit. Aktivitas yang superior berasal dari pemisahan pembawa beban yang efisien melalui jalur Z-scheme, di mana nanopartikel Ag memediasi transfer elektron. •O₂⁻ dan h⁺ adalah spesies reaktif dominan, dengan kontribusi minor dari ·OH.

Latar Belakang

Fotokatalisis menawarkan rute berkelanjutan untuk mengonversi energi matahari menjadi bahan bakar kimia dan mineralisasi polutan organik di bawah kondisi ambien. Larutan padat BiOBr_1−xI_x sangat menarik karena struktur kristal berlapisnya memungkinkan pengaturan bandgap; namun, konduksi band positifnya membatasi daya redoks. Sistem Z-scheme, di mana dua semiikon dikaitkan melalui mediasi elektron, melestarikan konduksi band paling negatif dan valensi band paling positif, sehingga meningkatkan kemampuan redoks. Z-scheme yang dimediasi logam mulia telah terbukti lebih kuat dan efisien daripada sistem redoks shuttle. Iodida perak, dengan konduksi band negatifnya dan fotolisis yang kuat, adalah pasangan yang cocok untuk konstruksi Z-scheme. Di sini kami melaporkan strategi in-situ untuk merakit BiOBr_0.3I_0.7 dengan Ag dan AgI, membentuk Z-scheme semua padat yang secara signifikan meningkatkan fotokatalisis cahaya visibel.

Metode / Eksperimen

Bahan

Nitrat bismut pentahidrat, nitrat perak, bromida kalium, iodida kalium, metil oranye, dan ters-butanol diperoleh dari pemasok komersial dan digunakan sebagaimana adanya.

Sintesis BiOBr_0.3I_0.7 dan BiOBr_0.3I_0.7/Ag/AgI

BiOBr_0.3I_0.7 disiapkan melalui hidrolisis yang diusapkan ultrasonik. Untuk komposit Z-scheme, 0,5 g BiOBr_0.3I_0.7 dispersi dalam 50 mL larutan AgNO₃ (Ag:I = 15 % menurut berat). Suspensi diaduk selama 1 jam untuk mempercipitasi AgI, lalu diiradiasi dengan lampu Xe 300 W (200 mW cm⁻²) selama 10 menit untuk foto-reduksi nanopartikel Ag⁰. Padatan dikoleksi, dicuci, dan dikeringkan pada 60 °C. Dengan memvariasi konsentrasi AgNO₃, sampel BAA-1 hingga BAA-4 (5 %, 10 %, 15 %, 20 % Ag) diperoleh.

Karakterisasi

XRD (Bruker D8), SEM (Zeiss Ultra 55), TEM/HRTEM (JEM-2100), EDS, XPS (Thermo ESCALAB 250Xi), EPR (Bruker ER 200-SRC), dan UV–Vis DRS (HITACHI U-41000) digunakan untuk memfaktorkan struktur kristal, morfologi, komposisi, status elektronik, dan properti optik.

Uji Aktivitas Fotokatalitik

Degradasi fotokatalitik 10 mg L⁻¹ MO dievaluasi di bawah cahaya visibel (cut-off 400 nm) menggunakan lampu Xe 300 W. 100 mg katalis dispersi dalam 150 mL larutan MO, diaduk selama 30 menit dalam kegelapan untuk mencapai keseimbangan adsorpsi, lalu diiradiasi. Sampel diambil setiap 5 menit, disentrifugasi, dan konsentrasi MO diukur pada 465 nm.

Hasil dan Pembahasan

Analisis Struktural dan Morfologis

Pola XRD mengonfirmasi bahwa fase BiOBr_0.3I_0.7 tetap tidak berubah setelah deponesi AgI dan pembentukan Ag⁰. Puncak 23,7° (AgI (111)) intensif seiring peningkatan konten Ag. Citra SEM/TEM mengungkapkan nanolapel (200–600 nm) BiOBr_0.3I_0.7 yang dihiasi dengan partikel Ag/AgI ~10 nm. HRTEM menguraikan awang jaring Ag (0,233 nm), AgI (≈0,350 nm), dan BiOBr_0.3I_0.7 (≈0,285 nm), mengonfirmasi kontak intim yang diperlukan untuk transfer Z-scheme.

Properti Komposisi dan Optik

XPS menunjukkan Bi, Br, I, O, dan Ag, dengan puncak Ag⁺ dan Ag⁰ yang berbeda, mengonfirmasi kehadiran perak ionik dan logam. SEM-EDS mengonfirmasi ~2,8 % AgI dalam BiOBr_0.3I_0.7/AgI, dan konten Ag yang lebih tinggi dalam sampel BAA setelah foto-reduksi. UV–Vis DRS mengungkapkan bahwa komposit BAA memiliki serapan yang kuat antara 400–575 nm, sedikit terkurangi pada beban Ag yang tinggi. Perhitungan bandgap memberikan 1,61 eV untuk BiOBr_0.3I_0.7 dan 2,83 eV untuk AgI, dengan potensi VB dan CB yang sesuai sebesar 2,71 eV / 1,10 eV dan 2,52 eV / −0,31 eV versus NHE.

Performa Fotokatalitik

Di bawah cahaya visibel, BAA-3 (15 % Ag) mencapai 89 % pengeliminasi MO dalam 20 menit, outperforming BiOBr_0.3I_0.7 dan BiOBr_0.3I_0.7/AgI. Beban Ag yang lebih rendah (5 %, 10 %) kurang efektif karena pembentukan Z-scheme yang tidak cukup, sedangkan beban 20 % menyebabkan kelebihan Ag⁰ yang mempromosikan rekombinasi. Aktivitas yang ditingkatkan diatribusikan pada pemisahan muatan yang efisien: elektron yang terang foto di BiOBr_0.3I_0.7 bermigrasi ke Ag, lalu ke VB AgI, sehingga meninggalkan elektron yang sangat reduktif di CB AgI dan lubang yang sangat oksidatif di VB BiOBr_0.3I_0.7.

Wawasan Mekanisme

Uji penangkap radikal dengan t-BuOH (penangkap ·OH), KI (penangkap lubang), dan N₂ (penangkap superoksida) mengungkapkan bahwa h⁺ dan ·O₂⁻ adalah spesies aktif primer; ·OH memainkan peran minor. Spektra ESL di bawah iluminasi mengonfirmasi generasi ·O₂⁻ dan ·OH, dan penurunan sinyal TEMP (indikator lubang) memperkuat terlibatnya lubang. Mekanisme Z-scheme yang diusahkan (diilustrasikan pada Gambar 6) selaras dengan perhitungan tepi band dan observasi eksperimental.

Kesimpulan

Komposit Z-scheme BiOBr_0.3I_0.7/Ag/AgI yang disintesis in-situ menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam degradasi fotokatalitik MO cahaya visibel, mencapai 89 % pengeliminasi dalam 20 menit dengan beban Ag 15 %. Performa yang ditingkatkan berasal dari jalur transfer muatan Z-scheme yang efisien yang melestarikan potensi oksidasi dan reduksi yang kuat. Bahan ini menjanjikan untuk aplikasi praktis dalam remediasi polutan organik.