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原文

数量:15 (3)

简单合成二氧化钛纳米管同行并装与Pt纳米颗粒和石墨烯氧化物减少紫外线/可见光下的光催化活性增加

*通信:
Ha Thi Vu星期四石油化工和炼油技术国家重点实验室,河内,越南
电话:+ 84 - 422189067;电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:2017年6月6日接受日期:2017年7月17日,发表日期:2017年7月24日,

引用:Vu年中,MH、盟HT et al . TiO的简单合成2纳米管同行并装与Pt纳米颗粒和石墨烯氧化物减少紫外线/可见光下的光催化活性增加。Int J化学Sci 2017; 15 (3): 159

文摘

简单,一步到位的方法被用来准备Pt-graphene /二氧化钛纳米管(Pt / RGO-TiO2NTs)光催化剂通过化学还原法。做好准备的样本以x射线衍射、透射电子显微镜、拉曼光谱、紫外可见漫反射率光谱学光致发光辐射光谱。光催化活动进行的降解甲基蓝(MB)在模拟太阳光线照射。高效的光催化活性与广泛的吸收在可见光区域,增加照片感生电荷分离通过电子转移photogenerated TiO2NTs Pt和RGO,以及RGO MB分子的吸附能力强。Pt, RGO Pt-RGO复合掺杂tnt阵列合成了阳极化路线的效率表现出类似的趋势图电化学性能,可以有利于发展中照片水分离器。此外,Pt-RGO / tnt有优异的稳定性。

关键字

纳米颗粒;光谱法;Photocatalysyts;污染物

介绍

TiO2纳米管(tnt)接收大量的到期利息,纳米结构,较大的比表面积,良好的电子/质子电导率,高纵横比、离子交换(1,2),应用于许多领域,包括光催化(3),锂电池(4,5)、天然气传感器(6色素增感太阳能),细胞(7),而浪费水净化(8]。

然而,纯粹的tnt光催化剂的主要缺点,狭窄的光反应范围和快速的光诱导的电子/空穴对复合的结果太阳能的利用效率。克服缺点,采取了许多策略来提高光催化性能tnt,包括贵金属负载(Pt、Ag) [9,10),非金属元素掺杂(C, N) (11,12),和耦合半导体(CdS,措,Cd0.5Zn0.5S) (2,13- - - - - -15]。

最近,在tnt光催化性能显著改善了将新颖的碳质纳米材料,如碳纳米管(碳纳米管)16,17]和富勒烯[18),形成carbon-TiO2纳米复合催化剂。特别是,GR,作为一个新发现的二维(2 d)含碳物质,具有杰出的机械、热、光、电性质,许多研究人员已经证明,石墨烯和TiO的结合2展示了一个增强光催化活性的光催化水分解(19- - - - - -27)以及光降解的污染物(22,28- - - - - -32]。讨厌等人。33]表明,tnt / GR光催化剂是由alkaline-hydrothermal方法更大的光催化H2进化,纯tnt的两倍。增强electroto-catalytic Pt纳米粒子分散在GR / TiO的活动2已经报道(34]。陈等人。35]报道了应用;降解甲基橙(MO) overAu / RGO-TiO2纳米管阵列显示,一种高效的光催化活性与广泛的吸收在可见光区域。Sim et al。36Pt]证明了成功的口供和RGO tnt的表面上造成了显著提高光催化活性降低有限公司2相比之下,tnt和Pt-TNTs。

在此,我们开发了一个简单的一步化学还原过程准备Pt NPs和RGO co-modified TiO2nt。,氧化石墨烯与Pt和最终解决方案的混合微波混合TiO紧随其后2nt。在这个过程中,氧化石墨烯的化学还原成石墨烯和附件的贵金属纳米粒子和tnt乙二醇溶液中观察到。Pt / RGO-TiO的光催化活性2nt MB作为混合材料进行了测试模型模拟太阳光线照射下污染物调查。这个结果给一个潜在的发展向基于石墨烯的高效催化剂,采用紫外/可见光照片作为一个能源源。

实验

石墨烯的制备

石墨膨胀粉被用来合成氧化石墨通过修改悍马方法(37]。10 g的石墨粉和浓缩的混合扩展。H2所以4(230毫升)在0°C的磁搅拌。在下一步KMnO 30克4慢慢加入烧瓶和温度一直低于20°C。由此产生的混合物搅拌在35°C与搅拌30分钟,然后加入450毫升使用de-ionized (DI)水。加水后容器密封并保持在98°C的搅拌40分钟紧随其后的140毫升DI和30毫升30% H2O2。混合物然后与5%盐酸溶液洗几次,消除残留的金属离子。获得的解决方案被过滤,然后去是去离子水稀释在ultrasonicated 30分钟形成悬浮液。

制备RGO / tnt

25毫升去悬架(2毫克/毫升)和tnt分散在乙二醇(EG)的解决方案(30毫升)下ultrasonicated 10分钟重量RGO tnt的10%的比率。获得的悬架是转移到反应瓶和回流24小时的110°C。由此产生的产品过滤和蒸馏水洗几次,然后在50°C下真空干燥12 h达到RGO / tnt。

准备tnt和tnt数组

tnt是准备通过一个碱性热液。其制备的细节是在我们之前的研究报告(38]。否则,二氧化钛纳米管阵列(tnt数组)在甘油由电化学阳极处理,NH4含有电解质的F -。实验之前,钛箔尺寸20×20×0.3(毫米)和各种手工抛光磨料论文然后脱脂,用去离子水清洗。钛表面阳极处理过程的重新激活了浸渍的钛箔NH的稀释溶液的混合物4F和HNO35秒内,其次是与做洗水。在二电极进行了电化学阳极处理单元使用一个直流电源,在钛箔被用作阳极和薄不锈钢箔作为阴极。阳极处理是执行在偏压25 V 8 h在室温(298 K)电解质包含NH + F(0.32%)、乙酸钠(0.07米)和水(15%)溶解在甘油。电解液的pH值控制在5通过添加稀释H2所以4解决方案。段阳极处理后,钛箔是立即用大量去离子水清洗,然后在120°C 12 h和干燥最后退火在500°C 4 h在空气中。

制备Pt / tnt和Pt / tnt数组

在典型的合成Pt-RGO / tnt, 25毫升去悬架(2毫克/毫升)和10.25毫升H2竞购6(10更易)和0.2 g tnt分散在乙二醇(EG)的解决方案(30毫升)下ultrasonicated 10分钟。获得的悬架是转移到反应瓶和回流24小时11°C。由此产生的产品被过滤,用蒸馏水洗几次,然后在50°C下真空干燥12 h。去tnt的重量比例为5%,10%,和20%获得的样本标记为PGT-05, PGT-10, PGT-20分别。

Pt-RGO / tnt阵列的合成进行了使用相同的过程生产Pt / tnt数组中描述段落2.4。在这种情况下,混合物25毫升去悬架(2毫克/毫升)和10.25毫升H2竞购630毫升(10更易)和乙二醇(EG) ultrasonicated之前达到一个统一的悬架用于5次连续impregnation-reduction tnt阵列表面的过程。RGC / tnt数组也是合成样品供参考采用上述程序描述但使用10.25毫升的水代替H2竞购6解决方案。

描述

tnt为样本调查的形态通过透射电子显微镜(TEM)使用徕卡狮子座906 E在120千伏仪器操作。场发射扫描电子显微镜(FESEM)模型地产7600 f (JEOL)被用来描述tnt数组的形态学基础材料(tnt数组,Pt / tnt数组和Pt - RGC / tnt数组)。synthezied样本的表面成分的分析能源色散x射线(模型X-Max-50牛津仪器)。x射线衍射(XRD)决定在2θ范围10°-80°(D8推进、力量、德国)使用铜辐射CuKαl(λ= 0.16°)的x射线源。紫外可见漫反射光谱(DRS)获得卡里300浓缩的紫外可见分光光度计。光致发光(PL)光谱测量在室温下的荧光分光光度计(iHR550 Jobin-Yvon,法语)的激发波长355纳米。拉曼光谱学在波数范围内执行的80厘米吗1-2500厘米1使用LabRam人力资源与激发波长为532 nm。准备样本的表面性质的特征x射线光电子光谱学(XPS)通过使用优秀的φ1600能谱系统单色毫克Kα源和中和剂。

光催化实验测试

Pt-RGO / tnt光催化活性的测试通过使用甲基蓝作为有机染料。在每个测试0.2 g 100毫升溶液的催化样本MB(10毫克l1)。解决方案在室温磁搅拌器搅拌几分钟适度和蒙在鼓里2 h,以确保吸收/解吸平衡催化剂上的染料。两个小时后,解决方案是暴露于太阳能灯(欧司朗250 W)作为光源,保持在20厘米以上的解决方案。样本收集后120分钟,在3500转离心10分钟立即移除的固体材料解决方案进行进一步分析。MB浓度得到的线性校准线代表663 nm吸收带的吸光度和MB平均浓度的紫外可见分光光度计。

photo-electrochemical(压电陶瓷)的实验是在一个二电极配置进行照明的太阳能灯下(欧司朗250 W)准备样品作为工作电极和不锈钢作为对电极。电解液是氢氧化钠0.1解决方案。压电测试应用偏差调查的开路电压从一个直流电源(0-1V)。光电流是衡量数字万用表(侥幸15 b)连接在外部源和tnt阵列阳极之间的照明下40000勒克斯= 6 mWcm2。弱电流的值是当系统变得稳定。暗电流的测量在同一条件没有照明供参考。这些实验不仅评估photo-electrochemical tnt数组属性为基础材料,也为研究水photo-electrolyzing生产氢的能力。

结果与讨论

描述

的衍射模式研究样本所示图。1。锋利的衍射峰在25.3°对应(1 0 1)锐钛矿TiO的晶面2(JCPDS没有。21 - 1272)是基于观察所有tnt的论文(39]。特定峰值的Pt观察Pt-TNTs和Pt-RGO / tnt在40°,46.2°和67.4°。一个衍射峰记录10点。10是由于要走。减少后,RGO约25°的峰值是PGT-10样本中没有显示,但这可能是由于层次堆积的消失规律RGO夹层的tnt。与修改的tnt的XRD谱相比,tnt阶段没有明显的差异在不同的样本表明TiO的晶体结构2nt不会受到RGO, Pt NPs的减少。

Chemical-Sciences-patterns

图1:x射线衍射的模式走,tnt, Pt / tnt和Pt / RGO / tnt。

图。2显示了结果的微观结构和形态特征纯TNT, Pt-TNTs, RGO / TNT, Pt-RGO / TiO2元纳米复合材料。所示图。2一维管状形态,ca。10 nm直径和长度的ca。100 nm - 150 nm)可以清楚地观察到。图2 b。显示了TEM Pt-TNTs和形象图2 c。显示了Pt-TNTs锚定到GR的TEM图像表与Pt NPs tnt均匀的表面。诊断,tnt的形态保持不变封装后的杂质。显示在图2 d。,没有明显的呈现PGT-05 GR表。的重量比更高(20%)在PGT-20 tnt,没有很好地分散和图2 e。表明RGO表是tnt和Pt NPs集群和不均匀的。特定元素的存在在Pt等复合,C、O和Ti由EDX频谱获得证实。

Chemical-Sciences-prepared

图2:的TEM图像和纯TNT (a), (b) Pt / TNT, (c) PGT-10, (d) PGT-05, PGT-20 (e)。

纯tnt的微观结构和形态的数组,Pt / tnt数组,RGC / tnt数组和Pt-RGC tnt数组的特点是对图像中收集的图。3。FESEM图像表明,TNT通过阳极处理过程的直径是位于80 nm - 120 nm的范围的图。3纯粹的tnt数组。图3 b。证明了Pt纳米粒子与5 nm-10纳米大小的形成,分散和表面锚定tnt数组。同样的,图3 c。验证的良好分散RGC电影在tnt数组二氧化钛纳米管的内外。最后但并非最不重要,FESEM Pt-RGC / tnt阵列的图像显示图3 c。明显,RGC电影和Pt纳米粒子同质表面沉积tnt数组。同样的,图3 c。验证的良好分散RGC电影在tnt数组二氧化钛纳米管的内外。最后但并非最不重要,FESEM Pt-RGC / tnt阵列的图像显示图3 c。明显,RGC电影和Pt纳米粒子同质表面沉积tnt数组。

Chemical-Sciences-prepared-array

图3:FESEM as-prepares的图像(一)纯tnt数组,(b) Pt / tnt数组,数组(c) RGO / / tnt和(d) Pt - RGO / / tnt

元素分析的组合是由收购EDX光谱所示图。4。EDX结果表明,Pt / RGO co-modified tnt和tnt数组包含的元素C、O, Pt和Ti。的内容比C和Pt是48.5/0.95(原子或原子)。

Chemical-Sciences-array

图4:EDX Pt-RGO / TiO的模式2nt。

拉曼光谱测量被用来描述有序和无序碳基材料的晶体结构。所示图。5D带和G带都观察到的拉曼光谱,RGO, Pt-RGO / tnt。的拉曼光谱显示了两个特征峰,即D乐队在1355厘米1和G带1600厘米1。D乐队是分配给边缘或平面sp3碳缺陷和无序,而G乐队来自命令的面内振动sp2-bonded碳原子。ID / IG峰值强度比率计算在RGO描述缺陷的程度。当降低到RGO,一个增量的强度比D和G带(ID / IG)观察,RGO和Pt-RGO / tnt,建议增加缺陷带来的氧化石墨烯的还原,表明部分恢复sp2杂化网络由于切除含氧官能团,增加缺陷水平,也证实了部分化学还原过程中减少进入RGO。

Chemical-Sciences-Raman-spectra

图5:拉曼光谱tnt、Pt-TNTs RGO / tnt, Pt-RGO / tnt andTNTs。插图是d和g频段的走,RGO和Pt-RGO / tnt。

支持的紫外可见漫反射光谱可见光响应催化剂的角色图6。。纯tnt展品良好的吸收带适度周围380海里(UV地区)由于电荷转移从O2 p价带Ti 3 d传导带的带隙能源3.2电动汽车在紫外区域。与未改性tnt,改性tnt显示增强吸收紫外-可见区域和明显红移的吸收边缘归因于Ti的形式3 +在金属离子和氧空位或carbon-doped TiO2材料(35]。工党NPs-doped tnt显然是观察在450纳米左右。这种显著的行为导致的吸收边缘Pt-TNTs变化可见光谱。在纳米复合材料中,逐渐长波长红移是观察Pt-RGO / tnt随着RGO质量比。Pt - RGO / tnt,黑碳的外观物种从RGO贡献减少光的反射,因此,又可见光谱的吸收(36]。

Chemical-Sciences-visible-absorption

图6:紫外可见吸收光谱和样本。

探讨高效分离电荷载体的纳米复合材料、光致发光(PL)光谱学进行了迁移,转移和重组过程的光诱导的电子/空穴对。图。7显示预先埋设的PL发射光谱的激发波长355纳米。最低的电子空穴对的复合是通过PGT-10显示最低的排放强度在所有。所示图。7PL强度降低的顺序先后修改的tnt, Pt / tnt, RGO / tnt和PGT-10,暗示的光诱导电子转移tnt Pt或RGO, Pt和RGO co-modifiers显示一个增强的能力相比,捕捉光诱导电子Pt或独自RGO。在论文中,PGT-10提出了作为最高的吸收紫外可见区域。这显著增加光电流展示了更高效率的电荷分离发生在三元复合。自然,它将反映出导致光催化性能有益。

Chemical-Sciences-Photoluminescence

图7:光致发光光谱tnt, RGO / tnt, Pt-TNTs和Pt / RGO / tnt。

光催化性能的Pt-RGO / tnt

甲基蓝被选为模态污染物的光催化效果评估Pt / RGO tnt模拟太阳能灯。tnt是用作参考样品。所示图8。在相同的条件下,利用修改的tnt MB的去除效率是1.75毫克MB / g TiO2,表明有限的tnt由于其可怜的可见光响应光催化活性吸收率。的去除效率Pt / tnt和RGO / tnt增长了2.16和2.62,分别。更高的降解efiiciency Pt /比RGO tnt / tnt主要归因于更高的光诱导电荷分离Pt / tnt所证明的降低电子空穴对的复合Pt /比RGO tnt / tnt (图。7)。在论文中,PGT-10是2.99毫克MB.g10最好的效率9TiO2,几乎在修改的tnt的1.7倍。

Chemical-Sciences-photocatalytic-degradation

图8:MB的光降解效率的光催化降解。

Pt和RGO co-modifiers取得了显著提高总收率tnt的MB相比,Pt / tnt和RGO / tnt。Pt的NPs Pt-TNTs扳平比分的费米能级(Ef) tnt Pt NPs的工作功能,因此tnt的CB成为低,促进电子转移从Pt NPs CB tnt。在Pt NPs之间的连接和tnt,电子碰撞进一步激发电子运动的发生从VB CB tnt,留下在VB。电子空穴对复合时间(109,是太快了。因此克服了这一缺陷沉淀RGO床单上表面的Pt / tnt延长的寿命电子空穴对。RGO众所周知的二维平面π-conjugation结构赋予它具有优良的电子电导率和RGO表提供了一个快速的途径从tnt陷阱的电子,从而提高电荷载体的分离(36]。

Photo-electrochemical Pt-RGO / tnt的属性数组

图9。显示当前密度在TNT数组,Pt / TNT数组,RGO / TNT数组和Pt-RGO / TNT阵列电极以氢氧化钠0.1电解质和黑暗条件下。在黑暗中(没有照明)这四个电极的电流密度测量值几乎相同的0.5 - 1µA /厘米2。电化学系统照明时,光电流密度显著增加,照明效果是其他不同形式这个示例。随着应用的电压从0到1伏特,光电流不断升高然后倾向于近稳定状态1伏特。有意义的电解水所需的最低电压1.23伏,应用电压(1伏特最大)仅用于激活递减能源的反应,因此提高光电流和水分裂率。理性,光电流增加一系列tnt数组,RGO / tnt数组,Pt / tnt和Pt-RGO / tnt数组。Pt的光敏趋势,RGO Pt-RGO掺杂也被观察到的样本tnt材料当著是测试为基础确定MB去除的效率。photo-electrochemical财产的最佳表现被授予Pt-RGO / tnt数组,可以归因于Pt-RGO复合的有益的协同完善能带结构以及光电子孔分离和转移现象,同样发现在cd掺杂tnt array [40,41]。光电流测量Pt-RGO / tnt阵列762μA /厘米2,更重要的是比两倍光电流获得纯tnt阵列电极。

Chemical-Sciences-based-materials

图9:tnt的光电流数组基础材料(tnt数组,RGO / tnt数组,Pt / tnt数组,Pt - RGO / tnt数组)作为光解水的阳极。

结论

Pt / RGO同行并装tnt混合材料已经由一个简单的化学还原方法。合并Pt NPs分布式tnt表面包裹在管壁。阶段和一系列光谱分析强劲明显好删除冗余的含氧官能团在RGO。优越的电子空穴对分离产生的样本反映淬火的PL光谱。与Pt / tnt相比,RGO / tnt,和修改的tnt, Pt / RGO / tnt表现出明显增强光催化活性的光降解MB模拟太阳能光照明下,既可以归因于增加光敏反应在紫外和可见的地区,电子空穴分离效率高,和改进的吸收率对有机污染物分子,造成RGO, Pt NPs的协同效应。这个简单的方法会很容易用于高效和稳定的光催化剂的设计环境治疗的应用。此外,工党RGO和Pt-RGO复合掺杂tnt阵列合成了阳极化路线的效率表现出类似的趋势图电化学性能。这个结果是非常有用的增强光敏tnt数组在水分离器的应用程序。

确认

作者要感谢国家科学技术基金会Development-NAFOSTED资助基础研究面向应用程序的项目,代码11/2012 / HD-DHUD和本文研究成果的一部分

引用

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