Heterojunksi ZnTiO3/Bi4NbO8Cl: Pendekatan Baru untuk Meningkatkan Efisiensi Fotokatalitik

Abstrak

Membangun heterojunksi adalah strategi efektif untuk meningkatkan performa fotokatalitik fotokatalis. Di sini, kami memfabrikasi heterojunksi ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl dengan performa yang ditingkatkan melalui metode pencampuran mekanis tipis. Tingkat degradasi rodamin (RhB) pada heterojunksi lebih tinggi daripada pada ZnTiO₃ atau Bi₄NbO₈Cl individu di bawah iradiasi lampu arc Xenon. Menggabungkan ZnTiO₃ dengan Bi₄NbO₈Cl dapat menghambat rekombinasi pembawa muatan yang di-fotoeksitasi. Efisiensi kuantum yang ditingkatkan dibuktikan oleh respons arus foto transien (PC), spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS), spektrum fotoluminesensi (PL), dan spektrum PL terukur waktu (TRPL). Penelitian ini mungkin bernilai untuk fotokatalis dalam aplikasi industri.

Pendahuluan

Fotokatalisis telah menarik minat besar dalam beberapa tahun terakhir, yang sudah diterapkan dalam bidang sel surya, pembelahan air, dan pemurnian air [1,2,3,4]. Has been reported that oxide based semiconductors are active photocatalysts [5], exemplified by TiO₂ [6, 7], ZnO [8], and so on. Namun, ZnO atau TiO₂ murni individu tidak menunjukkan performa fotokatalitik yang memuaskan. Secara khusus, ZnTiO₃ menunjukkan performa yang lebih baik dalam oksida jenis perovskit. ZnTiO₃ telah digunakan dalam bidang sensor gas dan fotokatalisis, dll. [9, 10]. Namun, batas lebar yang luas ZnTiO₃ (3,1 ~ 3,65 eV) [9,10,11,12,13] membatasi pemanfaatan energi surya. Di sisi lain, tingkat rekombinasi yang tinggi dari muatan yang dihasilkan foto adalah faktor pembatas lainnya. Perlu dilakukan langkah-langkah untuk meningkatkan performa fotokatalitiknya. Salah satu rute yang layak dan nyaman adalah dengan menyatukan ZnTiO₃ dengan semikonduktor batas lebar sempit untuk membentuk struktur heterojunksi [14]. Semikonduktor batas lebar sempit dapat berperai sebagai penyedot untuk meningkatkan kemampuan penangkapan cahaya dan performa fotokatalitik.

Bi₄NbO₈Cl, kandidat yang menjanjikan untuk meningkatkan penangkapan cahaya dengan beberapa keuntungan termasuk batas lebar sempit (~ 2,38 eV), struktur berlapis, potensi lapisan energi yang sesuai [15,16,17], muncul dalam penglihatan peneliti. Karena energi batas lebar rendah dan struktur berlapisnya, material ini dapat menyerap cahaya dengan panjang gelombang di bawah 520 nm dan bermanfaat untuk transfer muatan [18]. Beberapa heterojunksi berdasarkan Bi₄NbO₈Cl telah disiapkan, seperti Bi₂S₃/Bi₄NbO₈Cl [17] dan g-C₃N₄/Bi₄NbO₈Cl [19]. Oleh karena itu, membangun heterojunksi ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl mungkin merupakan langkah yang berguna untuk meningkatkan performa fotokatalitik.

Dalam studi ini, kami memabrikasi serangkaian heterojunksi ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl dan mengevaluasi performa fotokatalitik dengan degradasi RhB di bawah iradiasi lampu arc Xenon. Hasil kami menunjukkan bahwa performa heterojunksi lebih baik daripada komponen individu. Pembentukan heterojunksi dapat memperlambat kombinasi elektron dan lubang, yang mengarah pada aktivitas degradasi yang ditingkatkan untuk RhB. Mekanisme fotokatalitik yang mungkin dibahas secara rinci.

Eksperimen

Bahan

Oksida bismut (Bi₂O₃), etanol (C₂H₆O), tetrabutil titanat (C₁₆H₃₆O₄Ti), asam asetat (CH₃COOH), dan nitrat seng (Zn(NO₃)₂•6H₂O) diperoleh dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd; oksiklorida bismut (BiOCl) dan oksida niobium pentoksida (Nb₂O₅) diperoleh dari Energy Chemical (Shanghai, China). Semua reagen yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah reagen analitik dan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Persiapan Bi₄NbO₈Cl

Bi₄NbO₈Cl disintesis dengan metode pencampuran bola dan reaksi status padat. Pencampuran bahan dilakukan dalam ball mill planet (Grinoer-BM4, China), dilengkapi dengan tabung giling korundum dan bola korundum. Bi₂O₃ (18 g), BiOCl (12 g), dan Nb₂O₅ (6 g) ditimbang dan dicampur menggunakan etanol (30 mL) sebagai larutan dispersi dalam tabung giling, dan lima puluh bola (diameter 10 mm) ditambahkan kemudian digiling bola selama 2 jam pada 300 rpm. Setelah penggilingan, reagen yang dicampur dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam dan dikalsinasi pada 600 °C (laju pemanasan 5 °C/menit) di udara selama 10 jam. Akhirnya, bubuk kuning Bi₄NbO₈Cl diperoleh.

Persiapan ZnTiO₃

Prosedur sol-gel digunakan untuk menyiapkan bubuk ZnTiO₃. Dalam sintesis tipikal, 34 mL tetrabutil titanat (0,1 mol) dilarutkan dalam 35 mL etanol untuk membentuk larutan A. Lima mililiter air deionis, 15 mL asam asetat (CH₃COOH), dan sejumlah Zn(NO₃)₂•6H₂O berturut-turut dilarutkan dalam 35 mL etanol untuk membentuk larutan B. Kemudian, larutan B ditambahkan secara bertitik ke larutan A di bawah pengacakan magnetik. Larutan bening diperoleh setelah penambahan pengacakan selama 30 menit yang membentuk gel setelah periode istirahat 24 jam. Gel dikeringkan pada 105 °C selama 12 jam, dan kemudian produk yang dihasilkan dikalsinasi pada 600 °C selama 3 jam dengan laju pemanasan 2 °C/menit untuk mendapatkan bubuk ZnTiO₃ akhir.

Persiapan Heterojunksi ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl

Dalam eksperimen tipikal, 400 mg Bi₄NbO₈Cl dan sejumlah ZnTiO_{3 (ras massa ZnTiO3:Bi4NbO8Cl = 10%, 20%, 30%) dicampur dan digiling selama 10 menit, kemudian mereka disperdi dalam 10 mL etanol, diikuti oleh ultrasonik selama 30 menit. Campuran yang dihasilkan dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam, kemudian dikalsinasi pada 300 °C selama 2 jam. Sampel yang dihasilkan disebut 10% BNZ, 20% BNZ, dan 30% BNZ.}

Karakterisasi

Pengukuran difraksi serbuk X-ray (XRD) dilakukan dengan spektrometer XRD D-max 2500 (Rigaku), dan rentang pemindaian 10–80° dengan 10°/menit. Morfologi sampel yang disiapkan dikarakterisasi oleh mikroskop elektron pemindai (SEM, JSM-6700F, JEOL, Jepang) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100, JEOL, Jepang). Spektroskopi dispersi energi dan analisis pemetaan elemen diperoleh dengan spektrometer X-ray yang dilengkapi pada mikroskop elektron pemindai. Spektra refleksi difusi UV-vis (UV-vis DRS) diperoleh menggunakan spektrofotometer Agilent Technologies Cary 5000 dengan bola integrasi di mana bubuk BaSO₄ digunakan sebagai referensi. Fotoluminesensi (PL) dan spektrum PL transien terukur waktu dicatat pada spektrofotometer fluorensi Hitachi FL-4600 dan Edinburgh FLS1000 dengan panjang gelombang eksitasi 365 nm, masing-masing.

Eksperimen Fotokatalitik

Pemotongan RhB diuji sebagai reaksi model untuk mengevaluasi performa fotokatalitik sampel. Lima puluh miligram fotokatalis disperdi dalam 50 mL larutan RhB (5 mg/L) ke dalam tabung foto-reaktor kuarsa. Lampu arc Xenon 500 W yang ditempatkan 15 cm dari reaktor berfungsi sebagai sumber cahaya. Awalnya, campuran disimpan dalam gelap selama 30 menit di bawah pengacakan magnetik untuk mencapai kesetimbangan penyerapan-desorpsi. Kemudian, aliquot suspensi (4 mL) diambil dan dikonsep pada interval waktu yang diberikan 30 menit. Konsentrasi warna dianalisis dengan spektrofotometer Agilent Technologies Cary 5000.

Untuk perbandingan, sejumlah Bi₄NbO₈Cl dan ZnTiO_{3 (ras massa ZnTiO3:Bi4NbO8Cl = 20%) ditambahkan secara langsung ke dalam tabung foto-reaktor kuarsa untuk melakukan eksperimen evaluasi aktivitas fotokatalitik. Hasil sampel ini disebut 20% BNZ-C ("C" berarti perbandingan).}

Proses eksperimen agen penangkap sama dengan eksperimen evaluasi aktivitas fotokatalitik hanya ditambahkan masing-masing 40 μL propanol (IPA) sebagai penangkap radikal hidroksil, 0,005 g p-benzoquinon (BQ) sebagai penangkap radikal superoksida, 0,0158 g asam etilendiamin tetraasetat disodium (EDTA-2Na) sebagai penangkap lubang, dan 0,078 g bromat kalium (KBrO₃) sebagai penangkap elektron.

Pengukuran Elektrokimia

Properti fotoelektrokimia diukur pada sistem elektrokimia CHI760E (Shanghai Chenhua, China) dalam elektroda tiga standar dengan kaca FTO yang di-depose katalis, plat Pt, dan elektroda Ag/AgCl sebagai fotoanoda, elektroda kontra, dan referensi, masing-masing. Sementara itu, 0,5 M Na₂SO₄ digunakan sebagai larutan elektrolit. Pengukuran arus foto transien dilakukan menggunakan lampu Xe 500 W sebagai sumber cahaya. Pengukuran Mott-Schottky dilakukan pada frekuensi 1000 Hz. Fotoanoda kerja disiapkan sebagai berikut: 30-mg sampel, 300 μL larutan campuran chitosan (1% wt), dan asam asetat (1% wt) dicampur dengan pengacakan selama 20 menit untuk membuat suspensi. Kemudian, campuran di atas ditetapkan secara bertitik ke atas kaca FTO (3 × 1 cm) dan dikeringkan pada 40 °C.

Hasil dan Pembahasan

Struktur kristal sampel dapat terdeteksi dari hasil XRD [20], seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a. Puncak difraksi karakteristik pada 23,7°, 26,0°, 29,6°, 32,6°, 46,7°, dan 56,3° dapat diindeks ke bidang (112), (114), (116), (020), (220), dan (316) dari Bi₄NbO₈Cl polos (kartu JCPDS 84-0843). Bidang kristal (220), (311), (400), (422), (511), dan (440) memiliki korespondensi yang baik dengan struktur perovskit kubik ZnTiO_{3 (grup ruang R-3 dengan konstanta sel a = b = c = 0,841 nm, kartu JCPDS 39-0190). Pola XRD sampel BNZ mirip dengan Bi4NbO8Cl, dan intensitas puncak difraksi refleksi pada 35,4° untuk ZnTiO3 meningkat dengan penambahan konten ZnTiO3. Selain itu, sinyal yang terkait dengan Zn, Ti, Bi, Nb, O, dan Cl diamati dari citra pemetaan EDX (Gambar 1d) dari heterojunksi ZnTiO3/Bi4NbO8Cl.}

Morfologi ZnTiO_{3, Bi4NbO8Cl, dan sampel BNZ diselidiki oleh SEM. Gambar 1b menunjukkan bahwa sampel ZnTiO3 adalah struktur blok tidak teratur skala mikron. Produk Bi4NbO8Cl polos terdiri dari partikel elips tidak teratur yang menunjukkan struktur tumpukan karena partikel menggumpal, seperti yang terlihat dari Gambar 1c. Sebagai 20% BNZ senyawa (Gambar 1d), dapat ditemukan bahwa ZnTiO3 dihancurkan dan dilekatkan pada permukaan Bi4NbO8Cl setelah penggilingan, pencampuran ultrasonik, dan perawatan kalsinasi.}

Gambar 2 menampilkan citra TEM dan HRTEM dari sampel 20% BNZ, dan pola transformasi Fourier cepat (FFT) dan citra invers FFT (IFFT) dari area terpilih yang sesuai. Dapat diamati dengan jelas bahwa ada kontak antarmuka yang dekat antara blok ZnTiO_{3 dan blok Bi4NbO8Cl (Gambar 2a). Ditandai dengan kerangka kawat merah dalam Gambar 2b, pengukuran kerangka kawat latar 0,375 nm sesuai dengan bidang kristal Bi4NbO8Cl (112), dan FFT dan IFFT yang sesuai ditampilkan dalam Gambar 2c. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b, pengukuran kerangka kawat latar 0,301 nm dan 0,293 nm cocok baik dengan bidang kristal Bi4NbO8Cl (116) (area hijau) dan ZnTiO3 (311) (area oranye), dan citra FFT dan IFFT masing-masing ditampilkan dalam Gambar 2d dan Gambar 2e. Analisis HRTEM menunjukkan bahwa Bi4NbO8Cl dan ZnTiO3 digabungkan dengan baik.}

Performa fotokatalitik Bi₄NbO₈Cl polos, ZnTiO_{3, dan heterojunksi BNZ dievaluasi dengan degradasi larutan air warna RhB di bawah iradiasi lampu arc Xenon. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a, tingkat penyerapan RhB untuk semua sampel adalah 0–11% dalam gelap. Setelah terpapar cahaya selama 5 jam, tingkat degradasi pada Bi4NbO8Cl polos dan ZnTiO3 adalah 89% dan 61%, masing-masing. Selain itu, komposit BNZ menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang ditingkatkan, dan efisiensi penghapusan warna meningkat seiring peningkatan konten ZnTiO3 pada awalnya, dan kemudian performa pemotongan foto menurun sedikit ketika konten ZnTiO3 meningkat dari 20 wt% menjadi 30 wt%. Komposit 20% BNZ menunjukkan aktivitas fotokatalitik tertinggi dengan tingkat degradasi hampir 100%. Sebagai 20% BNZ-C, tingkat penghapusan RhB padanya adalah 81% setelah 5 jam reaksi. 20% BNZ menunjukkan performa fotokatalitik yang lebih tinggi karena pemisahan pembawa muatan yang efisien setelah pembentukan heterojunksi.}

Kelangkaan fotokatalis juga adalah aspek penting dalam aplikasi praktisnya. Percobaan siklus penghapusan warna RhB dilakukan dalam kondisi yang sama untuk menyelidiki kelangkaan sampel 20% BNZ, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b. Setelah empat percobaan berulang, aktivitas fotokatalitik hanya menunjukkan penurunan sedikit, menunjukkan bahwa 20% BNZ adalah fotokatalis yang stabil untuk degradasi RhB. Gambar 3c menunjukkan perubahan spektrum serapan UV-vis RhB oleh 20% BNZ, dengan peningkatan waktu iradiasi, intensitas puncak karakteristik menurun. Selain itu, posisi puncak serapan bergeser dari 554 menjadi 499 nm selama reaksi fotokatalitik. Pergeseran biru dari puncak serapan maksimum ini disebabkan oleh N-deetilasi RhB [21,22,23].

Untuk mengklarifikasi spesies aktif utama yang bertanggung jawab atas degradasi RhB oleh komposit 20% BNZ, percobaan penangkap dilakukan. Asam etilendiamin tetraasetat disodium (EDTA-2Na), bromat kalium (KBrO_{3), benzoquinon (BQ), dan propanol (IPA) bertindak sebagai penangkap lubang (h⁺), elektron (e⁻), radikal superoksida (•O2⁻), dan radikal hidroksil (•OH), masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3d, tingkat pemotongan foto terpengaruh secara serius dan berkurang dengan penambahan EDTA ke dalam sistem reaksi fotokatalitik, dan aktivitas fotokatalitik sedikit terhemat ketika BQ atau IPA ditambahkan. Oleh karena itu, h⁺ adalah spesies reaktif dominan utama, dan •O2⁻ atau •OH berpartisipasi dalam proses degradasi RhB dalam sistem 20% BNZ.}

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, respons arus foto transien dari fotokatalis yang disiapkan diukur di bawah iradiasi cahaya dengan siklus on-off yang rutin untuk mengevaluasi produksi dan migrasi pembawa muatan yang dihasilkan foto. Semakin tinggi intensitas arus foto, semakin kuat kemampuan pembuatan pembawa muatan yang dihasilkan foto [24, 25]. Kepadatan arus foto lebih tinggi dalam cahaya daripada dalam gelap, dan menampilkan mode siklus on-off yang khas. Intensitas respons arus foto mengikuti urutan: 20% BNZ > 30% BNZ > 10% BNZ > Bi₄NbO₈Cl > ZnTiO_{3. Ini berarti bahwa kemampuan produksi pembawa muatan yang dihasilkan foto dari 20% BNZ adalah yang terbaik. Kepadatan arus foto yang jelas ditingkatkan dari sampel 20% BNZ dapat diatribusikan pada kontak yang intim dalam heterojunksi, yang bermanfaat untuk generasi, pemisahan, dan transfer muatan. Selain itu, spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) digunakan untuk mempelajari kemampuan transfer muatan antarmuka dari katalis. Semakin kecil juring lingkaran semi EIS Nyquist, semakin kecil resistensi transfer muatan [26]. Dari hasilnya (Gambar 4b), dapat diamati bahwa 20% BNZ menunjukkan juring lingkaran semi terkecil, yang menunjukkan bahwa 20% BNZ memiliki resistensi transfer yang lebih kecil, dan proses pembawa muatan sangat cepat dibandingkan dengan sampel yang disiapkan lainnya. Untuk menyelidiki perilaku rekombinasi pembawa muatan yang dihasilkan foto, spektrum PL (Gambar 4c) dengan panjang gelombang eksitasi 365 nm pada suhu kamar diperoleh [27]. Dibandingkan dengan Bi4NbO8Cl polos, intensitas PL dari 20% BNZ yang disiapkan lebih lemah, menunjukkan tingkat rekombinasi pembawa muatan yang dihasilkan foto yang lebih rendah. Hasil ini menunjukkan bahwa perkenalan ZnTiO3 dapat secara efektif menghambat rekombinasi elektron (e⁻) dan lubang (h⁺) yang dihasilkan foto. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4d, spektrum PL terukur waktu dapat memberikan informasi tentang umur pembawa muatan yang di-fotoeksitasi. Kurva pemutusan PL terukur waktu dari sampel difit dengan Eq. (1):}

$$ I(t)={A}_1{e}^{\frac{-t}{\tau_1}}+{A}_2{e}^{\frac{-t}{\tau_2}} $$ (1)

Di mana τ₁ dan τ₂ adalah konstanta pemutusan cepat (umur lebih pendek) dan konstanta pemutusan lambat (umur panjang), masing-masing. A₁ dan A₂ adalah amplitudo yang sesuai. Umur rata-rata dihitung melalui Eq. (2) [17]:

$$ \uptau =\frac{A_1{\tau}_1^2+{A}_2{\tau}_2^2}{A_1{\tau}_1+{A}_2{\tau}_2} $$ (2)

Umur rata-rata dari 20% BNZ lebih pendek daripada Bi₄NbO₈Cl (τ_BiNb = 3,66 ns dan τ_20%BNZ = 2,72 ns). Nilai τ berkurang dari 3,66 menjadi 2,72 setelah modifikasi ZnTiO_{3, menunjukkan bahwa pembentukan heterojunksi dapat meningkatkan efisiensi transfer pembawa muatan dan memromoskan pemisahan elektron dan lubang yang dihasilkan foto [28,29,30].}

Spektrum refleksi difusi (DRS) dari Bi₄NbO₈Cl, ZnTiO_{3, dan 20% BNZ diukur dalam rentang 300–800 nm untuk mempelajari properti optik mereka. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, dapat ditemukan bahwa tepi serapan ZnTiO3 adalah 375 nm, dan Bi4NbO8Cl memiliki pita serapan intens dengan tepi serapan yang curam pada sekitar 505 nm. Selain itu, tepi serapan 20% BNZ adalah sekitar 510 nm. Selain itu, energi batas lebar (Eg) semikonduktor dapat dihitung dengan persamaan Tauc, (αhv)ⁿ = A(hv − Eg), di mana Eg, A, α, h, dan v adalah batas lebar, konstanta serapan, koefisien serapan, konstanta Planck, dan frekuensi cahaya, masing-masing [31]. Selain itu, n mewakili material transisi langsung (n = 2) atau material transisi tidak langsung (n = 1/2). Seperti yang kita ketahui, baik Bi4NbO8Cl maupun ZnTiO3 adalah semikonduktor transisi tidak langsung, sehingga n sama dengan 4. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b, nilai batas lebar dari sampel Bi4NbO8Cl, ZnTiO3, dan 20% BNZ yang disiapkan adalah 2,33 eV, 3,10 eV, dan 2,31 eV, masing-masing.}

Potensi pita konduksi (CB) dan potensi pita valensi (VB) adalah faktor paling penting untuk memahami pembentukan heterojunksi dan mekanisme transfer elektron dari nanokomposit. Diketahui bahwa dasar CB berada di dekat posisi pita datar; oleh karena itu, uji Mott–Schottky dilakukan untuk mengestimasi potensi pita datar (E_fb) dari sampel [32]. Potensi pita datar yang sesuai dari elektroda diperoleh dari plot M-S menggunakan persamaan berikut (3) dan (4) [31, 33]:

$$ \mathrm{For}\ \mathrm{an}\ \mathrm{n}-\mathrm{type}\ \mathrm{semiconductor}\frac{1}{C^2}=\frac{2}{e\varepsilon {\varepsilon}_o ND}\left(E-{E}_{fb}-\frac{KT}{e}\right) $$ (3) $$ \mathrm{For}\ \mathrm{an}\ \mathrm{p}-\mathrm{type}\ \mathrm{semiconductor}\frac{1}{C^2}=\frac{2}{e\varepsilon {\varepsilon}_0 NA}\left(E-{E}_{fb}-\frac{KT}{e}\right) $$ (4)

di mana ε, ε_o, e, C, E, E_fb, K, T, N_D, dan N_A mewakili konstanta dielektrik material, permitivitas ruang bebas, muatan elektron (1,60 × 10⁻¹⁹ C), kapasitansi wilayah muatan ruang, diterapkan ke potensi, potensi pita datar, konstanta Boltzmann, suhu absolut, densitas donor, dan densitas penerima, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c, semua plot menunjukkan kemiringan positif, yang mengonfirmasi dengan jelas bahwa sampel yang disiapkan berperilaku sebagai semikonduktor tipe n [34, 35]. Potensi pita datar dapat diukur dari potongan kurva potensi linier hingga ke sumbu X pada titik 1/C² = 0, dan dapat dikonversi ke skala elektroda hidrogen normal (NHE) sesuai rumus (5) [36]:

$$ E\left(\mathrm{NHE}\right)=E\left(\mathrm{Ag}/\mathrm{AgCI}\right)+0,197\mathrm{V} $$ (5)

Menurut hasil M-S, potensi pita datar untuk Bi₄NbO₈Cl dan ZnTiO_{3 adalah − 0,60 eV dan − 0,40 eV (vs. Ag/AgCl), masing-masing. Sesuai dengan itu, ECB dari Bi4NbO8Cl dan ZnTiO3 adalah − 0,403 eV dan − 0,203 eV, masing-masing. Dengan demikian, EVB dari Bi4NbO8Cl adalah 1,927 eV, dan EVB dari ZnTiO3 adalah 2,897 eV.}

Area permukaan BET spesifik dari Bi₄NbO₈Cl, ZnTiO_{3, dan 20% BNZ ditampilkan dalam Tabel 1. SBET dari 20% BNZ adalah 0,87 m²/g lebih dari SBET dari Bi4NbO8Cl. dapat terlihat dari Tabel 1 bahwa SBET dari ZnTiO3 adalah 5,34 m²/g. Peningkatan SBET dari 20% BNZ disebabkan oleh perkenalan ZnTiO3. Kemampuan menggunakan cahaya dari ZnTiO3 lemah karena batas lebar yang lebarnya. Oleh karena itu, peningkatan SBET mungkin tidak menyediakan banyak situs aktif yang efektif. Sebaliknya, ZnTiO3 mungkin menutupi situs aktif pada permukaan Bi4NbO8Cl atau menjadi pusat rekombinasi baru dari elektron dan lubang. Dengan demikian, peningkatan SBET dari 20% BNZ mungkin hanya memberikan dampak sedikit untuk peningkatan performa fotokatalitik. Peningkatan performa terutama disebabkan oleh pembentukan heterojunksi.}

Untuk menjelaskan peningkatan performa fotokatalitik, mekanisme fotokatalitik yang mungkin diusulkan dalam Skema 1. Di bawah iradiasi lampu arc Xenon, elektron (e⁻) dihasilkan di Bi₄NbO₈Cl, dan mereka transfer dari VB ke CB meninggalkan lubang (h⁺) yang sesuai pada VB. Sementara itu, proses yang sama terjadi di ZnTiO_{3. Dengan membandingkan potensi lapisan energi antara Bi4NbO8Cl dan ZnTiO3, ECB (Bi4NbO8Cl) lebih negatif daripada ECB (ZnTiO3), dan EVB (ZnTiO3) lebih positif daripada EVB (Bi4NbO8Cl). Oleh karena itu, mereka dapat membentuk heterojunksi tipe II. Karena medan listrik internal, e⁻ pada CB dari Bi4NbO8Cl ditransfer ke CB dari ZnTiO3, dan h⁺ pada VB dari ZnTiO3 ditransfer ke VB dari Bi4NbO8Cl, mewujudkan pemisahan pasangan e⁻-h⁺ yang di-fotoeksitasi, yang mengarah pada peningkatan performa. Karena 20% BNZ memiliki potensi VB yang sangat positif, jadi lubangnya memiliki kapasitas oksidasi tinggi. Oleh karena itu, lubang pada VB dapat secara langsung mengoksidasi polutan organik seperti RhB. Namun, rasio ZnTiO3 yang berlebihan dalam heterojunksi BNZ akan menutupi situs aktif pada permukaan Bi4NbO8Cl, mengurangi kemampuan penangkapan cahayanya. Selain itu, rasio ZnTiO3 yang berlebihan mungkin menjadi pusat rekombinasi baru dari elektron dan lubang. Oleh karena itu, jumlah ZnTiO3 memiliki nilai optimal dalam heterojunksi.}

Kesimpulan

Dalam pekerjaan ini, katalis heterojunksi ZnTiO_{3/Bi4NbO8Cl berhasil disiapkan melalui metode pencampuran mekanis tipis. Heterojunksi menunjukkan performa fotokatalitik yang ditingkatkan dibandingkan dengan ZnTiO3 atau Bi4NbO8Cl individu di bawah iradiasi lampu arc Xenon. Khususnya, heterojunksi 20% ZnTiO3/Bi4NbO8Cl memiliki performa terbaik. Laporan ini mungkin menginspirasi pengembangan struktur heterojunksi dalam modifikasi dan aplikasi katalis.}

Ketersediaan data dan bahan

Dataset yang digunakan selama studi saat ini tersedia dari penulis yang sesuai atas permintaan yang wajar.

Singkatan

BNZ:

ZnTiO_3/Bi4NbO8Cl

BNZ-C:

ZnTiO_{3/Bi4NbO8Cl-Perbandingan}

S_BET :

Area permukaan BET spesifik

PL:

Fotoluminesensi

CB:

Pita konduksi

VB:

Pita valensi