Nanopartikel BiFeO3 Hiasan CQD Memberikan Fotokatalisis Visibel dan Infra Merah Dekat Unggul untuk Degradasi AO7 dan Reduksi Cr(VI)
Abstrak
Kami memabrikasi nanopartikel BiFeO3 hiasan titik kuantum karbon (CQD) melalui rute hidrotermal sederhana. TEM dan XPS mengonfirmasi penempelan CQD yang seragam pada permukaan BiFeO3. Menggunakan Acid orange 7 (AO7) dan kromium heksavalent (Cr(VI)) sebagai polutan uji, kami mengevaluasi degradasi foto-Fenton dan reduksi fotokatalitik dalam radiasi visibel dan infra merah dekat (NIR). Komposit CQD/BiFeO3 unggul dibandingkan BiFeO3 murni lebih dari dua kali lipat dalam pengeliminasi AO7 dan hingga 80 % dalam reduksi Cr(VI), sambil mempertahankan keberusablean yang luar biasa. Studi fotolistrik dan EIS mengungkapkan pemisahan muatan yang ditingkatkan, dan percobaan penangkap radikal mengidentifikasi superoxide, lubang, dan radikal hidroksil sebagai spesies reaktif kunci. Wawasan mekanisme yang menghubungkan up-conversi CQD, transfer elektron, dan sinergi foto-Fenton secara sistematis dibahas.
Latar Belakang
Buangan industri yang mengandung logam berat dan pewarna organik menimbulkan risiko lingkungan dan kesehatan yang serius. Kromium heksavalent, yang dilepaskan dari proses plating listrik dan pembuatan kulit, sangat beracun, sementara banyak pewarna tahan degradasi dan karsinogen. Strategi fotokatalitik dan foto-Fenton menarik karena biaya rendah, cakupan substrat yang luas, dan kemampuan operasi sederhana. Namun, fotokatalis konvensional dengan band gap lebar hanya merespons cahaya UV (~5 % energi matahari) dan menderita rekombinasi lubang-elektron yang cepat. Cahaya visibel dan NIR masing-masing menyusun ~45 % dan ~46 % spektrum matahari, menawarkan kumpulan energi yang lebih besar untuk rehabilitasi berkelanjutan.
BiFeO3 (BFO), oksida perovskit, adalah fotokatalis cahaya visibel yang menjanjikan, namun performanya terbatas oleh rekombinasi muatan yang cepat dan aktivitas NIR yang nyaris nol. Titik kuantum karbon (CQD) telah muncul sebagai aditif nanokarbon serbaguna yang menyediakan luas permukaan besar, konduktivitas yang baik, biokompatibilitas, dan luminesensi up-conversi unik, yang memungkinkan mereka bertindak sebagai penerima/pendonor elektron dan pemicu sensitif NIR. Pekerjaan sebelumnya menunjukkan komposit CQD/BFO dengan degradasi pewarna yang ditingkatkan dalam cahaya visibel, namun tidak ada investigasi sistematis tentang aktivitas foto-Fenton atau katalisis yang didorong NIR yang telah dilaporkan.
Di sini, kami menyintesis hibrid CQD/BFO dan secara sistematis mengevaluasi degradasi fotokatalitik yang diinduksi oleh cahaya visibel dan NIR dari AO7 serta reduksi foto-Fenton Cr(VI). Studi ini mengklarifikasi peran CQD dalam pemisahan muatan, up-conversi, dan aktivitas redoks, menyediakan kerangka kerja komprehensif untuk merancang fotokatalis broadband.
Metode
Persiapan CQD
CQD disintesis dengan karbonisasi hidrotermal glukosa (1 g dalam 80 ml air) pada 180 °C selama 4 jam. Dispersi coklat kemerah-mukaan yang dihasilkan difilter dua kali untuk menghilangkan agregat besar.
Pembuatan Komposit CQD/BFO
Nanopartikel BFO disintesis dengan rute gel poliakrilamida. CQD kemudian ditetapkan pada BFO (0,1 g) dengan penambahan titik ke dalam suspensi air 70 ml di bawah sonikasi, diikuti dengan perawatan hidrotermal pada 130 °C selama 4 jam. Dengan mengubah volume CQD (3, 6, 12, 24 ml) kami menyiapkan komposit 3C/BFO, 6C/BFO, 12C/BFO, dan 24C/BFO.
Degradasi Foto-Fenton dan Fotokatalitik AO7
Degradasi fotokatalitik dan foto-Fenton dilakukan dalam 200 ml AO7 (5 mg L−1) di bawah radiasi visibel (cut-off 420 nm) atau NIR (cut-off 800 nm). Setelah keseimbangan adsorpsi 30 menit, H2O2 ditambahkan untuk uji foto-Fenton. Kemajuan reaksi dipantau dengan UV-vis pada 484 nm. Keberusablean dievaluasi dengan siklus berulang dengan pencucian dan pengeringan katalis.
Reduksi Fotokatalitik Cr(VI)
Eksperimen reduksi Cr(VI) menggunakan larutan 200 ml (10 mg L−1) pada pH 2–3, dengan 0,2 g katalis (1 g L−1). Cr(VI) dikuantifikasi melalui metode diphenylkarbazida (DPC).
Deteksi Radikal Hidroksil
Fluoresensi 2-hidroksitereftalat asam (TAOH) yang terbentuk dari asam tereftalat (TA) dan ·OH dicatat (eksitasi 315 nm) untuk mengukur produksi radikal selama iradiasi.
Karakterisasi
XRD, FTIR, TEM/HRTEM, DF-STEM, XPS, UV-vis DRS, PL, fotolistrik, dan EIS digunakan untuk mengevaluasi keurnuran fase, morfologi, komposisi, serapan optik, dinamika muatan, dan aktivitas katalitik.
Hasil dan Pembahasan
Analisis XRD
Semua sampel kristalisasi dalam fase BFO rombohedral (JCPDS 74-2016) tanpa fase sekunder. Puncak CQD tidak ada karena pemuatan rendah.
Analisis FTIR
Spektra FTIM mengonfirmasi getaran Bi–O, Fe–O, dan C–O yang khas, memverifikasi integrasi CQD yang berhasil.
Properti Serapan Optik
UV-vis DRS menunjukkan bahwa pemuatan CQD secara signifikan meningkatkan serapan di seluruh rentang UV-vis sambil mempertahankan tepi band BFO (~588 nm). Analisis turunan pertama mengonfirmasi band gap yang tidak berubah, menunjukkan bahwa CQD bertindak sebagai agen penangkap cahaya dan transfer muatan, bukan sebagai modifikasi band gap.
Analisis XPS
XPS mengonfirmasi keberadaan Bi3+, Fe3+/Fe2+, oksigen jaringan dan yang terserap, serta ikatan C–C/C–O dari CQD, mengonfirmasi pembentukan komposit yang berhasil.
Observasi Morfologi
TEM/HRTEM mengungkapkan bola BFO ~120 nm yang dihiasi dengan CQD ~15 nm. Pemetaan elemen DF-STEM mengonfirmasi distribusi C yang seragam pada permukaan BFO.
Performa Fotokatalitik dan Foto-Fenton
Dalam cahaya visibel, 12C/BFO mencapai degradasi AO7 73 % dalam 3 jam, melebihi BFO polos (33 %) dan unggul dibandingkan pemuatan CQD lainnya. Tren yang sama berlaku untuk reduksi Cr(VI) (hingga 80 % dalam 3 jam). Uji foto-Fenton dengan H2O2 lebih meningkatkan pengeliminasi AO7 hingga 96 % (12C/BFO). Keberusablean katalis tetap >90 % setelah tiga siklus.
Iradiasi NIR menghasilkan aktivitas yang nyaris nol untuk BFO polos tetapi memungkinkan degradasi AO7 35 %, reduksi Cr(VI) 63 %, dan pengeliminasi AO7 foto-Fenton 49 % oleh 12C/BFO, menekankan peran CQD sebagai pemicu NIR.
Penangkap Spesies Aktif
Studi penangkap mengungkapkan ·O2− sebagai spesies dominan dalam kedua jalur fotokatalitik dan foto-Fenton, dengan h+ dan ·OH berkontribusi secara signifikan. Proses yang didorong NIR juga bergantung pada radikal ini, mengonfirmasi bahwa CQD menghasilkan dan mentransfer elektron ke BFO di bawah eksitasi NIR.
Dinamika Muatan Fotogenerasi
Pengukuran fotolistrik menunjukkan bahwa 12C/BFO menghasilkan kepadatan arus ~3,5× lebih tinggi daripada BFO dalam cahaya visibel, sedangkan plot Nyquist EIS menunjukkan lingkaran semi yang lebih kecil untuk 12C/BFO, yang menunjukkan resistensi transfer muatan yang berkurang.
Mekanisme Katalitik
Dalam cahaya visibel, BFO menghasilkan pasangan lubang-elektron yang dipisahkan secara efisien oleh CQD, yang bertindak sebagai donan dan penerima elektron. Up-conversi CQD memfoton 400–580 nm di bawah eksitasi NIR, secara langsung mengeksitasi BFO dan menghasilkan pembawa muatan tambahan. Dalam siklus foto-Fenton, H2O2 bereaksi dengan Fe2+ permukaan untuk menghasilkan ·OH, sementara elektron fotogenerasi mengurangi Fe3+ kembali menjadi Fe2+, mempertahankan sirkulasi katalitik. Proses sinergis ini menjelaskan degradasi AO7 dan reduksi Cr(VI) yang ditingkatkan secara signifikan.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan bahwa hiasan CQD pada nanopartikel BiFeO3 secara signifikan meningkatkan fotokatalisis dan aktivitas foto-Fenton yang didorong oleh cahaya visibel dan NIR terhadap AO7 dan Cr(VI). Peningkatan ini timbul dari pemisahan muatan yang ditingkatkan, transfer elektron yang efisien, dan up-conversi CQD. Komposit mempertahankan stabilitas tinggi selama beberapa siklus, memosisikan mereka sebagai kandidat yang menjanjikan untuk pengolahan limbah berkelanjutan.
