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Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica

Resumen

Construir heterounión es una estrategia efectiva para mejorar rendimiento fotocatalítico de fotocatalizadores. Aquí, fabricamos heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl con rendimiento mejorado mediante método típico de mezcla mecánica. La tasa de degradación de rodamina (RhB) sobre heterounión es mayor que la de ZnTiO₃ o Bi₄NbO₈Cl individuales bajo irradiación de lámpara de arco de xenón. Combinar ZnTiO₃ con Bi₄NbO₈Cl puede inhibir recombinación de portadores fotoexcitados. La eficiencia cuántica mejorada se demostró mediante respuestas de fotocorriente transitoria (PC), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), espectros de fotoluminiscencia (PL) y PL resuelta en tiempo (TRPL). Esta investigación puede ser valiosa para fotocatalizadores en aplicación industrial.

Introducción

La fotocatálisis ha atraído gran interés en años recientes, ya aplicada en campos de celdas solares, división de agua y purificación de agua. Se ha reportado que semiconductores basados en óxidos son fotocatalizadores activos, tipificados por TiO₂, ZnO, etc. Sin embargo, ZnO o TiO₂ prístinos individuales no muestran rendimiento fotocatalítico satisfactorio. Especialmente, ZnTiO₃ muestra mejor rendimiento en óxidos tipo perovskita. ZnTiO₃ se ha utilizado en campos de sensores de gas y fotocatálisis, etc. Sin embargo, la banda ancha de ZnTiO₃ (3,1 ~ 3,65 eV) limita su utilización de energía solar. Por otro lado, la alta tasa de recombinación de cargas foto-generadas es otro factor limitante. Es necesario tomar medidas para mejorar su rendimiento fotocatalítico. Una ruta factible y conveniente es acoplar ZnTiO₃ con un semiconductor de banda estrecha para formar estructura de heterounión. El semiconductor de banda estrecha podría actuar como sensibilizador para aumentar capacidad de captación de luz y rendimiento fotocatalítico.

Bi₄NbO₈Cl, candidato prometedor para aumentar captación de luz con varios méritos incluyendo banda estrecha (~ 2,38 eV), estructura en capas, potencial apropiado de banda de energía, aparece en vista de investigadores. Debido a su baja energía de banda y estructura en capas, este material podría absorber luz con longitud de onda bajo 520 nm y beneficiar transferencia de carga. Algunas heterouniones basadas en Bi₄NbO₈Cl han sido preparadas, como Bi₂S₃/Bi₄NbO₈Cl y g-C₃N₄/Bi₄NbO₈Cl. Por tanto, construir heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl puede ser medida útil para mejorar rendimiento fotocatalítico.

En este estudio, fabricamos una serie de heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl y evaluamos rendimiento fotocatalítico por degradación de RhB bajo irradiación de lámpara de arco de xenón. Nuestros resultados indican que rendimiento de heterounión es mejor que el de componentes individuales. La formación de heterounión podría ralentizar combinación de electrones y huecos, lo que lleva a actividad de degradación mejorada para RhB. El posible mecanismo fotocatalítico se discute en detalle.

Experimental

Materiales

Óxido de bismuto (Bi₂O₃), etanol (C₂H₆O), titanato de tetrabutilo (C₁₆H₃₆O₄Ti), ácido acético (CH₃COOH) y nitrato de zinc (Zn(NO₃)₂•6H₂O) se obtuvieron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd; oxicloruro de bismuto (BiOCl) y pentóxido de niobio (Nb₂O₅) se obtuvieron de Energy Chemical (Shanghái, China). Todos los reactivos usados en este trabajo son grado analítico y sin purificación adicional.

Preparación de Bi₄NbO₈Cl

Bi₄NbO₈Cl se sintetizó por métodos de mezcla en molino de bolas y reacción en estado sólido. La mezcla de materiales se realizó en molino de bolas planetario (Grinoer-BM4, China), equipado con frasco y bolas de corindón. Bi₂O₃ (18 g), BiOCl (12 g) y Nb₂O₅ (6 g) se pesaron y mezclaron usando etanol (30 mL) como solución dispersante en frasco de molienda, y cincuenta bolas (diámetros 10 mm) se añadieron y luego molieron por 2 h a 300 rpm. Tras molienda, reactivos mezclados se secaron a 60 °C por 12 h y calcinaron a 600 °C (velocidad de calentamiento 5 °C/min) en aire por 10 h. Finalmente, polvos amarillos de Bi₄NbO₈Cl se obtuvieron.

Preparación de ZnTiO₃

Procedimiento sol-gel se usó para preparar polvo ZnTiO₃. En síntesis típica, 34 mL de titanato de tetrabutilo (0,1 mol) se disolvió en 35 mL etanol para formar solución A. Cinco mL agua desionizada, 15 mL ácido acético (CH₃COOH), y cierta cantidad de Zn(NO₃)₂•6H₂O se disolvieron sucesivamente en 35 mL etanol para formar solución B. Luego, solución B se añadió gota a gota a solución A bajo agitación magnética. Un sol transparente se obtuvo tras adición y agitación por 30 min que formó gel tras período de reposo de 24 h. El gel se secó a 105 °C por 12 h, y el producto resultante se calcinó a 600 °C por 3 h a velocidad de calentamiento 2 °C/min para obtener polvos finales ZnTiO₃.

Preparación de heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl

En experimento típico, 400 mg Bi₄NbO₈Cl y cierta cantidad de ZnTiO₃ (proporción de masa ZnTiO₃:Bi₄NbO₈Cl = 10 %, 20 %, 30 %) se mezclaron y molieron por 10 min, y luego se dispersaron en 10 mL etanol, seguido de ultrasonido por 30 min. Las mezclas resultantes se secaron a 60 °C por 12 h, y luego calcinaron a 300 °C por 2 h. Las muestras fabricadas se denotaron como 10 % BNZ, 20 % BNZ y 30 % BNZ.

Caracterización

Medidas de difracción de rayos X en polvo (XRD) se registraron con espectrómetro XRD D-max 2500 (Rigaku), y rangos de barrido fueron 10–80° con 10°/min. Las morfologías de muestras preparadas se caracterizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM, JSM-6700F, JEOL, Japón) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, JEM-2100, JEOL, Japón). Espectroscopía de energía dispersiva y análisis de mapeo elemental se obtuvieron con espectrómetro de rayos X equipado en microscopio electrónico de barrido. Espectros de reflectancia difusa UV-vis (UV-vis DRS) se obtuvieron usando espectrofotómetro Agilent Technologies Cary 5000 con esfera integradora en que polvo BaSO₄ se usó como referencia. Fotoluminiscencia (PL) y espectros de decaimiento PL transitorio resuelto en tiempo se registraron en Hitachi FL-4600 y espectrofotómetro de fluorescencia Edinburgh FLS1000 con longitud de onda de excitación 365 nm, respectivamente.

Experimento fotocatalítico

La fotodegradación de RhB se examinó como reacción modelo para evaluar rendimiento fotocatalítico de muestras. Cincuenta mg de fotocatalizador se dispersaron en 50 mL solución RhB (5 mg/L) en recipiente de reactora foto-quarzo. Una lámpara de arco de xenón de 500 W colocada a 15 cm del reactor sirvió como fuente de luz. Inicialmente, mezcla se mantuvo en oscuridad por 30 min bajo agitación magnética para alcanzar equilibrio adsorción-desorción. Luego, alícuotas de suspensión (4 mL) se muestrearon y centrifugaron en intervalos de tiempo dados de 30 min. Concentración de tinte se analizó por espectrofotómetro Agilent Technologies Cary 5000.

Para comparación, cierta cantidad de Bi₄NbO₈Cl y ZnTiO₃ (proporción de masa ZnTiO₃:Bi₄NbO₈Cl = 20 %) se añadieron directamente en recipiente de reactora foto-quarzo para hacer experimento de evaluación de actividad fotocatalítica. Resultado de esta muestra se denominó 20 % BNZ-C ("C" significa comparación).

El proceso de experimento con agente capturador es el mismo que el de evaluación de actividad fotocatalítica solo añadidos respectivamente 40 μL isopropanol (IPA) como captador de radical hidroxilo, 0,005 g p-benzoquinona (BQ) como captador de radical superóxido, 0,0158 g ácido etilendiaminotetraacético disódico (EDTA-2Na) como agente atrapador de huecos, y 0,078 g bromato de potasio (KBrO₃) como agente atrapador de electrones.

Mediciones electroquímicas

Propiedades fotoelectroquímicas se midieron en sistema electroquímico CHI760E (Shanghai Chenhua, China) en electrodo estándar de tres electrodos con vidrio FTO depositado con catalizador, placa Pt y electrodo Ag/AgCl como fotoánodo, contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente. Mientras tanto, 0,5 M Na₂SO₄ se usó como solución electrolítica. Medidas de fotocorriente transitoria se realizaron usando lámpara Xe de 500 W como fuente de luz. Medida Mott-Schottky se realizó a frecuencia de 1000 Hz. Los fotoánodos de trabajo se prepararon como sigue: 30 mg muestra, 300 μL mezcla de solución de quitosano (1 % p/p) y ácido acético (1 % p/p) se mezclaron por agitación 20 min para hacer suspensión. Luego, mezcla anterior se añadió gota a gota sobre vidrio FTO (3 × 1 cm) y secó a 40 °C.

Resultados y discusión

La estructura cristalina de las muestras pudo detectarse de resultados XRD, como se muestra en Fig. 1a. Los picos de difracción característicos a 23,7°, 26,0°, 29,6°, 32,6°, 46,7° y 56,3° pudieron indexarse a planos (112), (114), (116), (020), (220) y (316) de Bi₄NbO₈Cl puro (tarjeta JCPDS 84-0843). Los planos cristalinos (220), (311), (400), (422), (511) y (440) tienen buena correspondencia con estructura perovskita cúbica ZnTiO₃ (grupo espacial R-3 con constante de celda a = b = c = 0,841 nm, tarjeta JCPDS 39-0190). Los patrones XRD de muestras BNZ son similares al de Bi₄NbO₈Cl, y la intensidad del pico de difracción reflectante a 35,4° para ZnTiO₃ aumentó con adición de contenido de ZnTiO₃. Además, señales asociadas con Zn, Ti, Bi, Nb, O y Cl se observan en imágenes de mapeo EDX (Fig. 1d) de heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl.

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
a Patrones XRD de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestras BNZ; Imágenes SEM de b Bi₄NbO₈Cl, c ZnTiO₃, d imagen SEM y mapeo EDX de 20 % BNZ

La morfología de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestras BNZ se investiga por SEM. Figura 1b muestra que muestra ZnTiO₃ es estructura de bloques irregulares a escala micrónica. Productos prístinos Bi₄NbO₈Cl están compuestos por partículas elipsoidales irregulares que muestran estructura apilada debido a que partículas se agrupan, visto en Fig. 1c. En cuanto a compuesto 20 % BNZ (Fig. 1d), se encuentra que ZnTiO₃ son triturados y adheridos en superficie de Bi₄NbO₈Cl tras molienda, mezcla ultrasónica y tratamiento de calcinación.

Figura 2 muestra imágenes TEM y HRTEM de muestra 20 % BNZ, y patrón de transformada rápida de Fourier (FFT) e imagen FFT inversa (IFFT) de áreas selectas correspondientes. Puede observarse claramente que hay contacto de interfaz cercano entre bloques ZnTiO₃ y Bi₄NbO₈Cl (Fig. 2a). Marcado con alambre rojo en Fig. 2b, franja de red medida de 0,375 nm corresponde a plano cristalino Bi₄NbO₈Cl (112), y su FFT e IFFT correspondiente se muestra en Fig. 2c. Como se muestra en Fig. 2b, franjas de red medidas de 0,301 nm y 0,293 nm coinciden bien con plano cristalino Bi₄NbO₈Cl (116) (áreas verdes) y ZnTiO₃ (311) (áreas naranjas), y sus imágenes FFT e IFFT se muestran en Fig. 2d y Fig. 2e, respectivamente. El análisis HRTEM sugiere que Bi₄NbO₈Cl y ZnTiO₃ están bien combinados.

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
a, b Imágenes TEM y HRTEM de 20 % BNZ; c Imágenes IFFT y FFT de planos cristalinos Bi₄NbO₈Cl (112); d Imágenes IFFT y FFT de planos cristalinos Bi₄NbO₈Cl (116); e Imágenes IFFT y FFT de planos cristalinos ZnTiO₃ (311)

El rendimiento fotocatalítico de Bi₄NbO₈Cl prístino, ZnTiO₃ y heterouniones BNZ se evaluó por degradación de solución acuosa de tinte RhB bajo irradiación de lámpara de arco de xenón. Como se muestra en Fig. 3a, la tasa de adsorción de RhB para todas las muestras es 0–11 % en oscuridad. Tras exposición a luz por 5 h, la tasa de degradación sobre Bi₄NbO₈Cl puro y ZnTiO₃ son 89 % y 61 %, respectivamente. Además, compuestos BNZ muestran actividad fotocatalítica mejorada, y eficiencia de eliminación de tinte aumenta con aumento de contenido de ZnTiO₃ al principio, y luego el rendimiento de fotodegradación tiene ligera disminución cuando contenido de ZnTiO₃ aumenta de 20 % en peso a 30 % en peso. El compuesto 20 % BNZ muestra la mayor actividad fotocatalítica con tasa de degradación casi 100 %. En cuanto a 20 % BNZ-C, la tasa de eliminación de RhB sobre él es 81 % tras 5 h reacción. Veinte por ciento BNZ mostró mayor rendimiento fotocatalítico debido a separación eficiente de portadores tras formación de heterounión.

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
a Eficiencias de degradación fotocatalítica de RhB con ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y heterouniones BNZ bajo irradiación lámpara arco xenón; b ciclos repetidos de 20 % BNZ; c cambios en espectros absorción UV-vis de RhB por 20 % BNZ bajo irradiación lámpara arco xenón; d resultados experimentos captura de 20 % BNZ con irradiación lámpara arco xenón

La reciclabilidad de fotocatalizadores es también aspecto importante en su aplicación práctica. Experimentos cíclicos de eliminación de tinte RhB se realizaron bajo mismas condiciones para investigar reciclabilidad de muestras 20 % BNZ, como se muestra en Fig. 3b. Tras cuatro experimentos repetidos, actividad fotocatalítica solo presenta ligera disminución, indicando que 20 % BNZ es fotocatalizador estable para degradación de RhB. Figura 3c muestra cambios en espectros absorción UV-vis de RhB por 20 % BNZ, con tiempo de irradiación aumentado, intensidad de pico característico disminuye. Además, posición de pico de absorción se desplazó de 554 a 499 nm durante reacción fotocatalítica. Este desplazamiento azul de máximo de absorción es causado por desetilación-N de RhB.

Para clarificar principales especies activas responsables de degradación RhB por compuesto 20 % BNZ, se realizaron experimentos de captura. El ácido etilendiaminotetraacético disódico (EDTA-2Na), bromato de potasio (KBrO₃), benzoquinona (BQ) e isopropanol (IPA) actúan como captadores de hueco (h⁺), electrón (e⁻), radical superóxido (•O₂⁻) y radical hidroxilo (•OH), respectivamente. Como se muestra en Fig. 3d, la tasa de fotodegradación se afecta seriamente y disminuye por adición EDTA al sistema de reacción fotocatalítica, y actividad fotocatalítica se inhibe ligeramente cuando se añade BQ o IPA. Por tanto, h⁺ fue especie reactiva dominante principal, y •O₂⁻ o •OH participaron en proceso de degradación de RhB en sistema 20 % BNZ.

Como se muestra en Fig. 4a, respuestas de fotocorriente transitoria de fotocatalizadores preparados se midieron bajo irradiación de luz con ciclos intermitentes encendido-apagado para evaluar producción y migración de portadores fotogenerados. Mayor intensidad de fotocorriente, mayor capacidad generadora de portadores fotogenerados. La densidad de fotocorriente es mayor en luz que en oscuridad, y muestra modo típico de ciclo encendido-apagado. Las intensidades de respuesta de fotocorriente obedecen el siguiente orden: 20 % BNZ > 30 % BNZ > 10 % BNZ > Bi₄NbO₈Cl > ZnTiO₃. Significa que capacidad de producción de portadores fotogenerados de 20 % BNZ es la mejor. La densidad de fotocorriente obviamente mejorada de muestra 20 % BNZ podría atribuirse a contacto íntimo en heterounión, que beneficia generación, separación y transferencia de carga. Además, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se empleó para estudiar capacidad de transferencia de carga interfacial de catalizadores. El radio de arco menor de diagramas Nyquist EIS se vuelve, menor resistencia de transferencia de carga es. De resultados (Fig. 4b), puede observarse que 20 % BNZ exhibió arco semicircular más pequeño, indicando que 20 % BNZ posee menor resistencia de transferencia, y proceso de portadores de carga es muy rápido comparado con otras muestras preparadas. Para investigar comportamientos de recombinación de portadores fotogenerados, se obtuvieron espectros PL (Fig. 4c) con longitud de onda excitación 365 nm a temperatura ambiente. Comparado con Bi₄NbO₈Cl puro, intensidad PL de 20 % BNZ preparado es más débil, indicando menor tasa de recombinación de portadores fotogenerados. Estos resultados implican que introducción de ZnTiO₃ pudo inhibir eficazmente recombinación de electrones (e⁻) y huecos (h⁺) foto-generados. Como se muestra en Fig. 4d, espectros PL resueltos en tiempo podrían proveer información sobre vida de portadores fotoexcitados. Curvas de decaimiento PL resueltas en tiempo de muestras se ajustaron por Ec. (1):

I(t) = A₁e^(−t/τ₁) + A₂e^(−t/τ₂)

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
a Respuestas fotocorriente transitoria de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestras BNZ. b Espectroscopía impedancia electroquímica de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y 20 % BNZ. c Espectros fotoluminiscencia de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestras BNZ. d Espectros PL resueltos en tiempo de Bi₄NbO₈Cl y 20 % BNZ

Donde τ₁ y τ₂ son constante de decaimiento rápido (vida más corta) y constante de decaimiento lento (vida larga), respectivamente. A₁ y A₂ son amplitudes correspondientes. Vida media se calculó mediante Ec. (2):

τ = (A₁τ₁² + A₂τ₂²) / (A₁τ₁ + A₂τ₂)

La vida media de 20 % BNZ es más corta que Bi₄NbO₈Cl (τBiNb = 3,66 ns y τ20%BNZ = 2,72 ns). El valor τ disminuye de 3,66 a 2,72 tras modificar ZnTiO₃, indicando que formación de heterounión pudo mejorar eficiencia de transferencia de portadores y promover separación de electrones y huecos fotogenerados.

Espectros de reflectancia difusa (DRS) de Bi₄NbO₈Cl, ZnTiO₃ y 20 % BNZ se midieron en rango 300–800 nm para estudiar propiedad óptica. Como se muestra en Fig. 5a, puede encontrarse que borde de absorción de ZnTiO₃ es 375 nm, y Bi₄NbO₈Cl tiene banda de absorción intensa con borde de absorción pronunciado alrededor de 505 nm. Además, borde de absorción 20 % BNZ es alrededor de 510 nm. Además, energía de banda (Eg) de semiconductores puede calcularse por ecuación de Tauc, (αhv)ⁿ = A(hv − Eg), donde Eg, A, α, h y v son banda, constante de absorción, coeficiente de absorción, constante de Planck y frecuencia de luz, respectivamente. Además, n representa material de transición directa (n = 2) o indirecta (n = 1/2). Como sabemos, tanto Bi₄NbO₈Cl como ZnTiO₃ son semiconductores de transición indirecta, así n igual a 4. Como se muestra en Fig. 5b, valores de banda de Bi₄NbO₈Cl, ZnTiO₃ y 20 % BNZ preparados son 2,33 eV, 3,10 eV y 2,31 eV, respectivamente.

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
a Espectros DRS de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestra 20 % BNZ. b Curvas Tauc de ZnTiO₃, Bi₄NbO₈Cl y muestra 20 % BNZ. c Curvas Mott-Schottky de ZnTiO₃ y Bi₄NbO₈Cl

Potencial de banda de conducción (CB) y banda de valencia (VB) son factores sumamente importantes para entender formación de heterounión y mecanismo de transferencia de electrones de nanocompuestos. Se sabe que fondo de CB está cerca de posición de banda plana; así, pruebas Mott-Schottky se realizaron para estimar potencial de banda plana (Efb) de muestras. Potenciales de banda plana correspondientes del electrodo se obtuvieron de gráficos M-S usando las siguientes Ecs. (3) y (4):

Para semiconductor tipo n: 1/C² = 2/(eεε₀ND)(E − Efb − kT/e)

Para semiconductor tipo p: 1/C² = 2/(eεε₀NA)(E − Efb − kT/e)

Donde ε, ε₀, e, C, E, Efb, k, T, ND, NA representan constante dieléctrica de materiales, permitividad del espacio libre, carga de electrón (1,60 × 10⁻¹⁹ C), capacitancia de región de carga espacial, potencial aplicado, potencial de banda plana, constante de Boltzmann, temperatura absoluta, densidad de donadores y aceptores, respectivamente. Como se muestra en Fig. 5c, todos los gráficos muestran pendientes positivas, confirmando claramente que muestras preparadas actúan como comportamiento semiconductor tipo n. El potencial de banda plana puede medirse de intersección de curva de potencial lineal hasta eje X en punto 1/C² = 0, y convertirse a escala electrodo de hidrógeno normalizado (NHE) según fórmula (5): E(NHE) = E(Ag/AgCl) + 0,197 V.

Según resultados M-S, potencial de banda plana para Bi₄NbO₈Cl y ZnTiO₃ es −0,60 eV y −0,40 eV (vs. Ag/AgCl), respectivamente. Por tanto, ECB de Bi₄NbO₈Cl y ZnTiO₃ es −0,403 eV y −0,203 eV, respectivamente. Así, EVB de Bi₄NbO₈Cl es 1,927 eV, y EVB de ZnTiO₃ es 2,897 eV.

Las áreas superficiales BET específicas de Bi₄NbO₈Cl, ZnTiO₃ y 20 % BNZ se muestran en Tabla 1. El SBET de 20 % BNZ es 0,87 m²/g más que SBET de Bi₄NbO₈Cl. Puede verse en Tabla 1 que SBET de ZnTiO₃ es 5,34 m²/g. El aumento de SBET de 20 % BNZ se debe a introducción de ZnTiO₃. La capacidad de usar luz de ZnTiO₃ es débil debido a su banda ancha. Por tanto, el aumento de SBET puede no proveer muchos sitios activos efectivos. En contraste, ZnTiO₃ puede cubrir sitios activos de superficie Bi₄NbO₈Cl o convertirse en nuevos centros de recombinación de electrones y huecos. Así, el aumento de SBET de 20 % BNZ puede solo proveer impacto ligero para rendimiento fotocatalítico mejorado. El rendimiento mejorado es principalmente debido a formación de heterounión.

Para explicar rendimiento fotocatalítico mejorado, se propone posible mecanismo fotocatalítico en Esquema 1. Bajo irradiación de lámpara de arco de xenón, electrones (e⁻) se generan en Bi₄NbO₈Cl, y transfieren de VB a CB dejando huecos correspondientes (h⁺) en VB. Mientras tanto, mismo proceso ocurre en ZnTiO₃. A través de comparación de potencial de banda de energía entre Bi₄NbO₈Cl y ZnTiO₃, ECB (Bi₄NbO₈Cl) es más negativo que ECB (ZnTiO₃), y EVB (ZnTiO₃) es más positivo que EVB (Bi₄NbO₈Cl). Por tanto, pueden formar heterounión tipo-II. Debido al campo eléctrico interno, e⁻ en CB de Bi₄NbO₈Cl se transfiere a CB de ZnTiO₃, y h⁺ en VB de ZnTiO₃ se transfiere a VB de Bi₄NbO₈Cl, realizando separación de pares e⁻-h⁺ fotoexcitados, lo que conduce a mejora de rendimiento. Debido a que 20 % BNZ tiene alto potencial positivo de VB, sus huecos tienen alta capacidad oxidativa. Por tanto, huecos en VB pueden oxidar directamente contaminantes orgánicos como RhB. Sin embargo, proporción excesiva de ZnTiO₃ en heterounión BNZ cubrirá sitios activos de superficie Bi₄NbO₈Cl, disminuyendo su capacidad de captación de luz. Además, proporción excesiva de ZnTiO₃ puede convertirse en nuevos centros de recombinación de electrones y huecos. Por tanto, cantidad de ZnTiO₃ tiene valor óptimo en heterounión.

Heterouniones ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl: Un enfoque novedoso para mejorar la eficiencia fotocatalítica
Diagrama esquemático del mecanismo propuesto para degradación de RhB sobre fotocatalizadores heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl bajo irradiación lámpara arco xenón.

Conclusiones

En este trabajo, catalizador heterounión ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl se preparó exitosamente mediante método típico de mezcla mecánica. La heterounión exhibe rendimiento fotocatalítico mejorado en comparación con ZnTiO₃ o Bi₄NbO₈Cl individuales bajo irradiación de lámpara de arco de xenón. Especialmente, heterounión 20 % ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl tiene el mejor rendimiento. Este reporte puede inspirar desarrollo de estructura heterounión en modificación y aplicación de catalizadores.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos usados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

BNZ:
ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl
BNZ-C:
ZnTiO₃/Bi₄NbO₈Cl-Comparación
SBET:
Áreas superficiales BET específicas
PL:
Fotoluminiscencia
CB:
Banda de conducción
VB:
Banda de valencia

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