Enhanced photocatalytic activity of Ag modified ZnO nanopowders prepared by solvothermal method

Abstract

Zinc oxide is a well-known photocatalyst mainly used to degrade organic water pollutants using artificial or sunlight. It is one of the most widely used material because of its good photoactivity, biological and chemical stability, wide band gap and low cost [1]. Its photocatalytical properties depend on surface area, availability of active sites, pore sizes, number and nature of trapped sites, as well as on adsorption/desorption characteristics. On the other hand, the modification of semiconductor photocatalysts by noble metals can enhance their photocatalytic activity. The Zn(CH3COO)2·2H2O with different AgNO3 content (0, 0.75, 1.5, 3 and 6 mole%) was solvothermally treated in the presence of poly(vinyl pyrrolidone) as surfactant. The obtained samples were rinsed out with distilled water, centrifuged and dried at 105 °C for 3h. The specimens were characterized by XRD, FESEM and TEM techniques. The photocatalytic activity of the nanocrystalline powders was tested on the Reactive Orange 16 (RO16) textile azo dye and compared to the commercial ZnO (the average particle size: 20 nm). The results showed that Ag modified samples consist of ZnO nanocrystals with hexagonal wurtzite structure and metallic Ag with face-centered-cubic structure. There is no remarkable shift of diffraction peaks of the ZnO, meaning that Zn1-xAgxO1 solid solution is not formed and hence the change of unit cell parameters of ZnO nanocrystals is negligible. The average crystallite size of all samples was about 20 nm, as determined by XRD analysis from Williamson-Hall plots, and confirmed by TEM. The FESEM revealed the uniformity in size and approximately spherical shape of the nanoparticles. Ag nanograins were located on the surface of ZnO nanoparticles. It was shown that all synthesized samples have a higher adsorption power and photocatalytic activity than the commercial ZnO. Also, Ag modified ZnO powders are more efficient than the unmodified one. The samples containing 1.5 and 0.75 mole% of Ag respectively, demonstrate the best photocatalytic activity. According to FESEM, this is due to the well distributed Ag nanograins over ZnO nanoparticles in the case of these two samples. [1] B. Simović, A. Golubović, I. Veljković, D. Poleti, J. Zdravković, D. Mijin, A. Bjelajac, J. Serb. Chem. Soc. 79 (2014) 1433-1443.

Cink-oksid je poznati fotokatalizator koji se uglavnom koristi za razgradnju organskih zagađujućih suspstanci u vodi uz pomoć veštačke ili sunčeve svetlosti. Zbog svoje dobre fotoaktivnosti, biološke i hemijske stabilnosti, široke zabranjenje zone i ekonomičnosti ZnO spada u jedan od najčešće korišćenih materijala [1]. Njegova fotokatalitička svojstva zavise od specifične površine, dostupnosti aktivnih mesta, veličine pora, broja i prirode blokiranih mesta, kao i od karakteristika procesa adsorpcije/desorpcije. S druge strane, modifikovanje poluprovodnog fotokatalizatora plemenitim metalima može povećati fotokatalitičku aktivnost. Zn(CH3COO)2·2H2O sa različitim sadržajem AgNO3 (0; 0,75; 1,5; 3 i 6 mol. %) tretiran je solvotermalnim postupkom u prisustvu površinski aktivne materije polivinil pirolidona. Dobijeni uzorci ispirani su destilovanom vodom, centrifugirani i sušeni na 105 °C tokom 3 h. Uzorci su okarakterisani rendgenskom difrakcijom, „field emission“ skenirajućom elektronskom mikroskopijom (FESEM) i transmisionom elektronskom mikroskopijom (TEM). Fotokatalitička aktivnost dobijenih nanokristalnih prahova ispitana je na tekstilnoj azo-boji Reactive Orange 16 (RO16) i upoređena je sa kupovnim ZnO (srednja veličina čestica: 20 nm). Rezultati su pokazali da se uzorci modifikovani sa Ag sastoje od ZnO nanokristala sa heksagonalnom vircitnom strukturom i metalnog Ag sa pljosno centriranom teseralnom strukturom. Nije uočeno značajnije pomeranje difrakcionih pikova ZnO, a samim tim ni promena parametara jedinične ćelije, što znači da nije nastao čvrsti rastvor Zn1-xAgxO1. Srednja veličina kristalita kod svih uzoraka bila je oko 20 nm, što je određeno renedgenskom difrakcijom na nanokristalnim uzorcima pomoću Vilijamson-Holove metode i potvrđeno TEM-om. FESEM je ukazao na uniformnost veličine i na približno sferni oblik nanočestica. Nanozrna Ag nalaze se na površini nanočestica ZnO. Svi sintetisani uzorci imaju veću adsorpcionu moć i fotokatalitičku aktivnost u odnosu na kupovni ZnO. Takođe, prahovi ZnO modifikovani sa Ag efikasniji su nego nemodifikovan ZnO. Uzorci sa 1,5 i 0,75 mol. % Ag pokazuju najbolju fotokatalitičku aktivnost, a razlog je fina raspodela nanozrna Ag na nanočesticama ZnO, što se može uočiti na FESEM-u za ova dva uzorka. [1] B. Simović, A. Golubović, I. Veljković, D. Poleti, J. Zdravković, D. Mijin, A. Bjelajac, J. Serb. Chem. Soc. 79 (2014) 1433-1443.