Propiedades fotocatalíticas de los polvos de TiO2 recubiertos con Co3O4 preparados por deposición de capa atómica mejorada con plasma

Antecedentes

Con el rápido desarrollo de la industria moderna, la contaminación del agua se ha convertido en un problema grave [1, 2]. Los colorantes orgánicos presentan efectos tóxicos y reducen la penetración de la luz en el agua contaminada [3]. Además, la mayoría de los tintes textiles muestran rebeldía hacia la oxidación química y otros tratamientos tradicionales de aguas residuales. Afortunadamente, TiO ₂ Los fotocatalizadores basados ​​en compuestos exhiben una excelente degradación hacia colorantes orgánicos [4]. TiO ₂ ha sido estudiado extensa e intensamente como uno de los materiales fotocatalíticos populares debido a su baja toxicidad, alta estabilidad química y actividad catalítica en la eliminación de una amplia gama de contaminantes orgánicos [5, 6, 7]. Sin embargo, su eficiencia cuántica general es relativamente baja debido a la rápida tasa de recombinación de pares de electrones-huecos fotogenerados [8]. Además, la gran banda prohibida intrínseca de TiO ₂ limita su absorción óptica a la región UV, que solo representa menos del 4% de la radiación solar total [9, 10]. Estos defectos impiden sus aplicaciones prácticas. Por lo tanto, se han explorado diferentes enfoques para mejorar sus actividades fotocatalíticas, incluido el dopaje con metales y no metales [11, 12], la sensibilización con colorantes [13] y la formación de heterouniones [14, 15].

Se ha demostrado que la construcción de una heterounión p-n entre TiO ₂ de tipo n y semiconductores de tipo p, como NiO o Ag ₂ O, es beneficioso para reducir la tasa de recombinación de electrones y huecos fotogenerados [16, 17, 18]. En primer lugar, la unión p-n puede producir un potencial incorporado en la interfaz del semiconductor. Bajo iluminación, el campo eléctrico interno promoverá la separación y el transporte de pares de agujeros de electrones fotogenerados [19]. En segundo lugar, los semiconductores con bandgap más pequeño pueden mejorar la absorción de luz del catalizador con bandgap más grande [20]. Además, también se pueden emplear algunos semiconductores para mejorar la estabilidad del catalizador y facilitar las reacciones electroquímicas de la superficie [21]. Como resultado, la actividad fotocatalítica podría mejorarse drásticamente mediante la formación de una heterounión semiconductora / semiconductora. Chen y col. han informado que la unión p-n NiO / TiO ₂ El fotocatalizador mostró una fotoactividad mejorada en la degradación del azul de metileno (MB) [22].

Co ₃ O ₄ , uno de los óxidos de metales de transición más versátiles, se aplica ampliamente en muchos campos, como la degradación de tintes [23, 24], sensores de gas [25], baterías de iones de litio [26], oxidación de CO a baja temperatura [27] y H ₂ generación [28]. Co ₃ O ₄ , como NiO y Ag ₂ O, pertenece a los semiconductores de tipo p. Su banda prohibida (2,1 eV) es relativamente más estrecha en comparación con la de NiO (3,5 eV). Además, muestra una mejor estabilidad química que Ag ₂ O porque Ag ₂ O tiende a absorber CO ₂ en el aire para formar Ag ₂ CO ₃ o se descompone en Ag cuando se usa a una temperatura comparativamente alta [28]. Se ha informado que p-n Co ₃ O ₄ / BiVO ₄ o Co ₃ O ₄ / TiO ₂ La unión exhibió una mayor actividad fotocatalítica que el semiconductor simple de BiVO ₄ o TiO ₂ en la eliminación de tintes orgánicos [29, 30].

Se han utilizado bastantes métodos para sintetizar Co ₃ O ₄ Nanosistemas basados ​​en plasma, como los procesos de deposición química en fase de vapor (CVD) [31,32,33], pulverización de plasma [34] y procesos de CVD asistidos por plasma (PECVD) [35,36,37]. El Co ₃ O ₄ / TiO ₂ La unión p-n también se ha fabricado mediante el método de impregnación-deposición-descomposición [30]. Se necesitaban la posterior calcinación y excitación, lo que podría producir emisiones de escape.

La deposición de capa atómica (ALD) es una técnica novedosa de deposición de película delgada basada en reacciones secuenciales de quimisorción superficial autolimitadas y complementarias utilizando vapor precursor. Comparado con CVD, PECVD y el método de solución química, exhibe ventajas únicas, incluyendo uniformidad de área grande, excelente conformalidad tridimensional, control preciso y simple del espesor de la película, modificación de la superficie flexible y baja temperatura de procesamiento [38]. La deposición de capa atómica mejorada por plasma (PEALD), donde las especies de plasma se emplean como gas reactivo durante un paso del proceso de deposición cíclica, muestra algunos méritos sobre la ALD térmica, como una mayor libertad para la temperatura del sustrato y los precursores. Recientemente, ALD ha mostrado perspectivas crecientes y amplias aplicaciones en varios campos como semiconductores [39], nuevas energías [40] y fotocatálisis [41], especialmente en la modificación de la superficie de nanomateriales [42].

Aquí, rastree Co ₃ O ₄ -revestido de TiO ₂ El fotocatalizador de unión p-n se fabricó mediante el método ALD. En comparación con el método de impregnación-deposición-descomposición con procedimientos de varios pasos [30], la técnica ALD tiene un solo paso de deposición y una baja temperatura de procesamiento de 200 ° C sin recocido posterior. La estructura cristalina, la morfología, la composición y la banda prohibida del Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos se caracterizaron mediante diversas técnicas analíticas. La actividad fotocatalítica del Co ₃ O ₄ polvos P25 recubiertos con 100 y 200 ciclos en la degradación del colorante azul de metileno (MB) bajo irradiación de luz ultravioleta (UV) se han investigado profundamente. Se puede encontrar que, a diferencia de los polvos P25 puros, el Co ₃ de 100 ciclos O ₄ La muestra de unión P25 p-n recubierta exhibe una eficiencia fotocatalítica UV claramente mejorada. El posible mecanismo fotocatalítico de Co ₃ O ₄ -revestido de TiO ₂ también se proponen polvos.

Métodos

TiO comercial ₂ polvos (P25) se utilizaron como partidarios de Co ₃ O ₄ declaración. Los polvos P25 se cargaron uniformemente en un recipiente poroso y se colocaron en la cámara PEALD (SUNALE R-200, Picosun). Dicarbonil ciclopentadienil cobalto (CoCp (CO) ₂ , Strem Chemicals, 96%) se mantuvo a 45 ° C y se utilizó plasma de oxígeno a temperatura ambiente como precursor de cobalto y fuente de oxígeno para Co ₃ O ₄ deposición, respectivamente. Se utilizó oxígeno de alta pureza (99,999%) como fuente de plasma de oxígeno con argón (99,999%) como gas portador, y el poder del plasma y O ₂ el caudal de gas fue de 2500 W y 160 sccm, respectivamente. Luego Co ₃ de 100 y 200 ciclos O ₄ fueron depositados en polvos P25 a 200 ° C por PEALD, donde un ciclo consistió en 0.2 s CoCp (CO) ₂ dosificación, 6 s N ₂ purga, 21,5 s O ₂ dosis de plasma y 6 s N ₂ purga. Para Co ₃ de 600 ciclos O ₄ Como fuente de oxígeno se usó una muestra de P25 recubierta con un flujo de oxígeno (130 sccm) en lugar de plasma de oxígeno. El precursor de Co y la temperatura del reactor permanecieron sin cambios. Por lo tanto, Co ₃ de 600 ciclos O ₄ se depositaron en polvos P25 mediante ALD térmico, donde un ciclo consistió en 2 s CoCp (CO) ₂ dosificación, 8 s N ₂ purga, 5 s O ₂ dosificación y 10 s N ₂ purga. En nuestro trabajo anterior, se ha demostrado que PEALD Co ₃ O ₄ en nanotubos de carbono mostró una baja tasa de deposición y un modo de crecimiento en isla [43]. El espesor de Co ₃ de 800 y 2400 ciclos O ₄ fue de 5 y 20 nm, respectivamente. La superficie de deposición rugosa se cubrió con Co ₃ O ₄ nanopartículas. Por lo tanto, Co ₃ de 100 y 200 ciclos O ₄ la deposición en P25 puede estar todavía en su etapa de nucleación, lo que podría conducir a la formación de Co ₃ O ₄ TiO ₂ recubierto con nanopartículas estructura de unión p-n.

La estructura cristalina de Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD, Rigaku-D / max 2000) con radiación Cu Kα (λ =0,15418 nm). El ángulo de exploración varió de 10 ° a 80 ° operado a 40 kV y 40 mA. La característica química de la superficie se analizó mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, Thermo ESCALAB-Thermo fisher K-alpha) utilizando radiación Al Kα (1486,6 eV) como fuente de excitación. Todas las energías de enlace se referenciaron al pico C 1s a 284,6 eV. Se llevó a cabo una espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS, Thermo X Serie 2 ICP-MS) para medir el contenido del elemento Co de los polvos fotocatalizadores.

La microestructura y morfología de la superficie de los polvos se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM, Ultra 55, ZRISS) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, FEI Tecnai G ² F20 S-Twin). Los polvos de catalizador se dispersaron completamente en etanol mediante vibración ultrasónica de 20 min antes de gotear sobre la rejilla de cobre con una lámina de carbono ultrafina para la observación TEM. Las áreas de superficie específicas de Brunauer-Emmett-Teller (BET) se llevaron a cabo utilizando un aparato de adsorción de nitrógeno (Micromeritics Tristar-3000).

La actividad fotocatalítica del Co ₃ O ₄ -revestido de TiO ₂ Los polvos en la descomposición de azul de metileno (MB) se evaluaron bajo la irradiación de una lámpara LED UV de 100 W (UVEC-411). Se empleó agua de refrigeración en circulación para mantener la temperatura del sistema a ~ 25 ° C. La lámpara se ubicó a 15 cm de distancia de la solución de reacción. Se añadieron cincuenta miligramos de catalizador a 50 ml de solución acuosa MB (37,4 mg / L). Antes de la iluminación, la solución mixta se agitó durante 3 h en ausencia de luz para lograr el equilibrio de adsorción. Después de cada tiempo de irradiación dado, se retiraron aproximadamente 4 ml de la mezcla y se separaron por centrifugación para eliminar el catalizador sólido suspendido. El proceso de degradación se controló mediante un espectro de absorción UV-vis (UV-3600, Shimadzu, Japón), y la concentración de MB residual se analizó cuantitativamente midiendo la absorción máxima a 664 nm.

La actividad fotocatalítica de luz visible del Co ₃ O ₄ -revestido de TiO ₂ Los polvos también se evaluaron mediante la degradación de naranja de metilo (MO) en solución acuosa. Un simulador solar (lámpara Xe de 300 W, MircoSolar300, PerfectLight) con un filtro de corte de 420 nm proporciona la irradiación de luz visible. La concentración de MO residual se determinó midiendo la absorción máxima de MO a 464 nm.

Los gráficos de Mott-Schottky se midieron utilizando una estación de trabajo electroquímica (CHI Instruments CHI760E) a frecuencias de 1 y 2 kHz en la oscuridad. Cincuenta y dos miligramos de P25 o Co ₃ de 200 ciclos O ₄ Los polvos P25 recubiertos junto con 18 mg de yodo se dispersaron en 50 ml de acetona mediante vibración ultrasónica. Luego, la suspensión mezclada se galvanizó sobre vidrio conductor de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) a 15 V durante 2 min. La medición electroquímica se realizó en un electrolito de NaOH 1 M a temperatura ambiente usando una configuración de tres electrodos. Se adoptó como electrodo de trabajo el vidrio FTO preparado con fotocatalizador. Se utilizó una malla de platino (1 cm x 2 cm) y Ag / AgCl como contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente. El punto isoeléctrico (IEP) de MB, P25 y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ El P25 recubierto en soluciones acuosas se determinó mediante la medición del potencial Zeta (Malvern Zetasizer, Nano ZS 90 zeta).

Resultados y discusión

Se utilizó XRD para determinar la estructura de fase de las muestras. La Figura 1 muestra los patrones XRD de P25 puro y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos. Ambas muestras muestran los picos característicos similares del estándar anatasa TiO ₂ (Tarjeta JCPDS no:21–1272), lo que sugiere que no hay ningún cambio obvio en la estructura cristalina después de Co ₃ O ₄ revestimiento. Además, el tamaño de cristalito de ambas muestras se puede estimar en 20 ± 2 nm mediante la fórmula de Scherrer.

Patrones XRD de P25 puro y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos

Se utilizaron SEM y TEM para observar la morfología y microestructura de P25 puro y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos, como se muestra en la Fig. 2a – d. Pure P25 y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ Las muestras recubiertas con P25 muestran una morfología y un tamaño de cristalito similares de 15 a 30 nm (Fig. 2a, b). También se contó la distribución del tamaño de las nanopartículas, como se muestra en la Fig. 2e, f, que se puede ajustar a las curvas de Gauss. El valor promedio calculado de los tamaños de cristalitos de P25 puro y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ Los polvos P25 recubiertos son ~ 25,8 y ~ 26,2 nm, respectivamente, que es un poco más grande que el resultado de XRD debido a la fácil negligencia de las nanopartículas más pequeñas en las observaciones de SEM. Estas nanopartículas se aglomeran para formar grupos más grandes de 50 a 100 nm. En la imagen TEM de alta resolución (HRTEM) de la Fig. 2c, un aumento local de TiO ₂ bien cristalizado Los nanocristales con franjas de celosía transparentes se pueden ver en los polvos P25 puros. Después de 200 ciclos de PEALD Co ₃ O ₄ , podemos distinguir notablemente algunas pequeñas nanopartículas amorfas ubicadas en el TiO ₂ cristalino más grande superficie con el diámetro de 2-3 nm, como lo marcan las flechas en la Fig. 2d. Según nuestro trabajo anterior [43], estas pequeñas nanopartículas deberían ser el Co ₃ derivado de PEALD O ₄ con modo de crecimiento de isla. Combinado con los resultados de TEM y XRD, se puede deducir que los iones Co existen como Co ₃ O ₄ nanopartículas amorfas unidas a TiO ₂ superficie de polvo en lugar de la ocupación de Ti ⁴⁺ posición en TiO ₂ celosía.

SEM ( a , b ) y HRTEM ( c , d ) imágenes de P25 puro y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos junto con la distribución del tamaño de partícula ( e , f ). un , c , e Polvos puros P25. b , d , f Co ₃ de 200 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos

Además, la influencia de PEALD Co ₃ O ₄ también se examinó la superficie específica de P25. La superficie BET es de 112,6 y 104,0 m ² / g para P25 puro y Co ₃ O ₄ polvos P25 recubiertos, respectivamente, por lo que Co ₃ O ₄ la deposición sobre polvos P25 tiene un ligero efecto sobre la superficie específica de P25.

Se realizó XPS para investigar la composición química de las muestras con y sin PEALD 100-cycle Co ₃ O ₄ revestimiento. Ambas muestras muestran casi las mismas señales para los espectros de Ti 2p y O 1s. En la Fig. 3a, el doblete en 464,6 y 458,9 eV se puede asignar a Ti ⁴⁺ 2p _1/2 y Ti ⁴⁺ 2p _3/2 picos de enlaces Ti – O con la energía de división de la órbita de espín de 5.7 eV, consistente con los valores de TiO ₂ . Los espectros de O 1s se pueden descomponer en dos picos, como se muestra en la Fig. 3b. El pico fuerte a 529,9 eV se puede asignar al enlace O – Ti. El pico débil con mayor energía de enlace a 532,2 eV se atribuye a las especies de OH absorbidas en las superficies de la muestra [44]. El pico de O1 de Co ₃ O ₄ debería situarse en ~ 529,8 eV [43], que es difícil de distinguir del enlace O-Ti. La relación atómica calculada de Ti:O es de aproximadamente 1,00:2,13, básicamente consistente con la composición de TiO ₂ . Sin embargo, la señal de Co de 100 ciclos de Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos son demasiado débiles para ser detectados. Se puede atribuir al hecho de que el contenido de Co puede estar por debajo del límite de detección de XPS. Por lo tanto, se utilizó ICP-MS para determinar el contenido de Co en P25 puro y Co ₃ de 100 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos. Se encuentra que el contenido de Co en P25 puro y Co ₃ de 100 ciclos O ₄ P25 recubierto es de 0,13 y 3,63 ppm, respectivamente. Por lo tanto, trace Co ₃ O ₄ de hecho, PEALD deposita sobre los polvos P25. Además, XPS también se utilizó para analizar Co ₃ de 600 ciclos O ₄ -muestras P25 recubiertas preparadas por ALD térmico. Los espectros débiles de Co 2p pueden reconocerse con un contenido de porcentaje atómico de Co de ~ 0,6%.

Espectros XPS de Co ₃ de 100 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos y polvos P25 puros. un Ti 2p. b O 1s

La Figura 4a registra los espectros de reflexión difusa visible UV a temperatura ambiente de P25 puro y Co ₃ O ₄ -muestras P25 recubiertas con 200 y 600 ciclos. Pure P25 y Co ₃ de 200 ciclos O ₄ Las muestras recubiertas de P25 muestran casi los mismos espectros de absorción óptica, sin embargo, Co ₃ de 600 ciclos O ₄ Las muestras de P25 recubiertas derivadas de ALD térmico exhiben una absorción relativamente más fuerte en el rango visible de 400 a 700 nm, especialmente en la región de 400 a 500 nm, que se origina en la transición d-d para Co ³⁺ o Co ²⁺ iones.

un Espectros de reflexión difusa UV-visible y ( b ) Gráficos de determinación de intervalos de banda correspondientes de P25 puro, Co ₃ de 200 ciclos y 600 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos

Para el semiconductor de banda prohibida directa, la relación entre el borde de absorción y la energía del fotón ( hν ) se puede escribir de la siguiente manera [45]:

( αhν ) ² = A ( hν - E _g ) donde A es la constante de absorción del semiconductor de banda prohibida directa. El coeficiente de absorción (α) se determina a partir de los espectros de dispersión y reflectancia según la teoría de Kubelka-Munk. Las energías de banda prohibida directa se pueden estimar a partir de la intersección de las tangentes a las gráficas, como se presenta en la Fig. 4b. La banda prohibida del Co ₃ de 200 ciclos O ₄ Los polvos P25 recubiertos tienen aproximadamente 3,41 ± 0,02 eV, casi lo mismo que TiO ₂ puro polvos (3,38 ± 0,02 eV), debido a la cantidad de carga de Co extremadamente baja (~ ppm por ICP-MS). Co ₃ de seiscientos ciclos O ₄ Las muestras recubiertas de P25 muestran dos bandas prohibidas debido a una carga de Co relativamente más alta (~ 0,6% atómico por XPS). La banda prohibida más grande de 3,20 ± 0,03 eV proviene de TiO ₂ polvos, mientras que la banda prohibida mucho más pequeña de 2,47 ± 0,03 eV podría estar relacionada con Co ₃ O ₄ revestimiento. Co ₃ derivado de ALD O ₄ El revestimiento tiene una banda prohibida ligeramente más ancha que el valor de la literatura de 2,3 eV de Co ₃ O ₄ nanoesferas (~ 20 nm) mediante síntesis basada en solución [46].

El MB se usa comúnmente como sonda para evaluar fotocatalizadores y su mecanismo de degradación se ha aclarado bien. La Figura 5a-c ilustra la descomposición fotocatalítica de MB bajo luz ultravioleta en presencia de P25 puro, Co ₃ de 100 ciclos y 200 ciclos. O ₄ fotocatalizadores P25 recubiertos, respectivamente. La absorción máxima de MB se sitúa a 664 nm. La intensidad de absorción disminuye con el tiempo bajo irradiación de luz ultravioleta para todas las muestras, lo que corresponde a la degradación de MB. La Figura 5d traza las curvas de degradación fotocatalítica para todas las muestras. Tanto P25 puro como Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos pueden degradar el MB bajo la luz ultravioleta. Mientras tanto, casi no se observa degradación de MB en luz ultravioleta sin catalizador, lo que demuestra que el MB es estable bajo luz ultravioleta. Sin embargo, Co ₃ de 100 o 200 ciclos O ₄ Los polvos P25 recubiertos muestran una actividad fotocatalítica mucho mayor en comparación con los polvos P25 puros. La eficiencia de degradación del Co ₃ O ₄ P25 recubierto puede alcanzar casi el 100% en 1,5 h, mientras que el P25 puro es solo alrededor del 80%.

Curvas de absorción y degradación UV-visible de la solución de MB con varios catalizadores. un P25 puro. b Co ₃ de 100 ciclos O ₄ . c Co ₃ de 200 ciclos O ₄ -catalizador P25 recubierto. d Curvas de degradación de MB

También se llevaron a cabo las pruebas de reciclaje para determinar la estabilidad de los catalizadores compuestos de Co ₃ O ₄ polvos P25 recubiertos. No se observa disminución de la eficiencia fotocatalítica en Co ₃ de 200 ciclos O ₄ -muestras P25 recubiertas después de su uso repetido en fotodegradación de MB tres veces.

La actividad fotocatalítica mejorada del Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos podrían atribuirse a la formación de la unión p-n entre Co ₃ O ₄ y TiO ₂ . La Figura 6 registra los gráficos de Mott-Schottky de P25 con o sin Co ₃ de 200 ciclos O ₄ revestimiento. Las muestras de P25 puro exhiben la gráfica de Mott-Schottky con pendiente positiva, lo que sugiere el semiconductor de tipo n con portadores de electrones. La gráfica de Mott-Schottky con pendiente negativa implica el semiconductor de tipo p con portadores de huecos. Para Co ₃ de 200 ciclos O ₄ -revestido con catalizador P25, se puede observar simultáneamente la coexistencia de pendientes positivas y negativas con valores similares en el gráfico de Mott-Schottky, lo que indica la formación de la unión p-n en nuestras muestras. Esto ayudará en la separación de pares de huecos de electrones fotogenerados [18, 22, 47].

Gráficos de Mott-Schottky de P25 puro y Co ₃ O ₄ -revestido con P25 en una solución acuosa de NaOH 1 M con frecuencias de 1 y 2 kHz en la oscuridad

La Figura 7 ilustra el esquema del nivel de energía y el movimiento del agujero de electrones en Co ₃ O ₄ –TiO ₂ Estructura de unión p-n. Co ₃ O ₄ exhibe una banda prohibida mucho más pequeña (~ 2.4 eV) que TiO ₂ (~ 3,4 eV). Tras la irradiación con luz ultravioleta, se pueden generar pares de agujeros de electrones en ambos Co ₃ O ₄ y TiO ₂ . De acuerdo con la estructura del nivel de energía en la Fig.7, los electrones fotogenerados se moverían desde la banda de conducción de Co ₃ O ₄ al de TiO ₂ . Por el contrario, los agujeros se inyectan desde la banda de valencia de TiO ₂ al de Co ₃ O ₄ . Como resultado, se forma una alta concentración de electrones y huecos en la banda de conducción de TiO ₂ y banda de valencia de Co ₃ O ₄ , respectivamente. La recombinación de pares de electrones y huecos se ve efectivamente obstaculizada debido a la separación de electrones y huecos fotogenerados. Los electrones y huecos separados están libres para experimentar reacciones con los reactivos adsorbidos en la superficie del fotocatalizador y mejorar la actividad fotocatalítica. Por lo tanto, el Co ₃ O ₄ –TiO ₂ La estructura de la unión p-n exhibe la mejor propiedad fotocatalítica que el TiO ₂ puro .

Esquema del nivel de energía y el movimiento del agujero de electrones en Co ₃ O ₄ –TiO ₂ estructura de unión p-n bajo irradiación de luz ultravioleta

Además, para evaluar la influencia del punto isoeléctrico (IEP) en la absorción de MB, se detectó el IEP utilizando la medida del potencial Zeta, como se muestra en la Fig. 8. El IEP de MB, P25 puro y 200- ciclo Co ₃ O ₄ Se determina que el P25 recubierto en soluciones acuosas es 5,37, 6,74 y 7,42, respectivamente. El valor de pH del tinte MB y P25 o Co ₃ O ₄ La suspensión acuosa de P25 recubierta se mide en 6,68. Según los resultados del IEP, el tinte MB tiene una carga negativa neta, mientras que ambos catalizadores tienen una carga positiva. Además, Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos tienen más cargas positivas que el P25 puro. Por lo tanto, el Co ₃ O ₄ El recubrimiento podría promover la adsorción de MB en P25, lo cual es beneficioso para mejorar la actividad fotocatalítica.

Potencial Zeta de MB, P25 y Co ₃ O ₄ -revestido con P25 en soluciones acuosas en función de los valores de pH

Finalmente, la prueba de fotodegradación de naranja de metilo (MO) usando Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos también se llevaron a cabo bajo iluminación de luz visible. El Co ₃ de 200 ciclos O ₄ La muestra de P25 recubierta no muestra actividad fotocatalítica para la degradación de MO. Se puede atribuir al hecho de que solo existe el rastro Co ₃ O ₄ en la superficie P25. La traza Co ₃ O ₄ no puede absorber suficiente luz visible para estimular las reacciones catalíticas. Por lo tanto, preparamos Co ₃ de 600 ciclos O ₄ -muestra P25 recubierta por ALD térmico para introducir más Co ₃ O ₄ nanopartículas sobre polvos P25. La actividad fotocatalítica en la descomposición del tinte MO se ha examinado bajo irradiación de luz visible ( λ ≥ 420 nm), como se registra en la Fig. 9. Seiscientos ciclos de Co ₃ O ₄ P25 recubierto muestra actividad fotocatalítica visible con degradación de ~ 26% de MO en 120 min. Esto se puede explicar considerando el Co ₃ O ₄ actividad de las nanopartículas bajo luz visible debido a su estrecha banda prohibida (~ 2,4 eV) como lo confirma la Fig. 4d [28].

Actividad fotocatalítica visible de Co ₃ de 600 ciclos O ₄ polvos P25 recubiertos. un Absorción UV-visible y b curvas de degradación de la solución de MO bajo irradiación de luz visible

Conclusiones

En resumen, Co ₃ O ₄ PEALD ha preparado con éxito fotocatalizadores en polvo de unión p-n P25 recubiertos. La estructura, morfología, composición y banda prohibida de estos polvos P25 modificados se han caracterizado sistemáticamente. La actividad fotocatalítica de la degradación de MB bajo luz ultravioleta se ha explorado en profundidad. La estructura de anatasa y el tamaño de cristalita de los polvos P25 no cambian después de 100 y 200 ciclos de Co ₃ O ₄ declaración. Sin embargo, bajo luz ultravioleta, el Co ₃ O ₄ Los polvos P25 recubiertos exhiben una tasa de degradación de casi el 100% en 1,5 h. La actividad fotocatalítica UV se ha mejorado evidentemente en comparación con los polvos P25 puros. Los gráficos de Mott-Schottky de polvos de fotocatalizador confirman la formación de heterounión p-n en Co ₃ O ₄ –TiO ₂ Materiales nanocompuestos, que es beneficioso para la separación de pares de huecos de electrones fotogenerados. Además, los resultados del IEP también indican que el Co ₃ O ₄ El recubrimiento podría promover la adsorción de tintes orgánicos de azul de metileno en polvos P25. Sobre todo, ALD es una tecnología prometedora y poderosa para construir fotocatalizadores de unión p-n efectivos mediante la modificación de la superficie.

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