[論文レビュー] Enhancement of photocatalytic performance of V2O5 by rare-earth ions doping, synthesized by facile hydrothermal technique

M. H. Kabir, Md. Zakir Hossain+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Transition Metal Oxide NanomaterialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、簡便な水熱法を用いてホルミウム（Ho）およびイットルビウム（Yb）レアアースイオンをドーピングすることで、V2O5の光触媒特性を向上させた。3 mol.%のドーピングで可視光駆動型分解効率が顕著に向上し、それぞれ2時間で有機汚染物質を93%および95%分解した。これは最適化されたバンドギャップと電荷再結合の低減によるものである。

ABSTRACT

The rare-earth (RE) elements [Holmium (Ho) and Ytterbium (Yb)] doped vanadium pentoxide (V2O5) with a series of doping concentrations (1 mol.%, 3 mol.%, and 5 mol.%) have been successfully synthesized using environment-friendly facile hydrothermal method. The effect of RE ions on the photocatalytic efficiency of doped V2O5 has also been analyzed. The stable orthorhombic crystal structure of doped V2O5 confirms by the X-ray diffraction with no secondary phase, and high-stressed conditions are generated for the 3 mol.%. The crystallite size, strain, and dislocation density are calculated to perceive the doping effect on the bare V2O5. The optical characteristics have been measured using UV-vis spectroscopy. The absorptions are found to be increased with increasing doping concentrations; however, the bandgap remains in the visible range. The photocatalytic properties are examined for the compounds with varying pH, and it is observed that higher efficiency is exhibited for the pH 7 and catalyst concentration 500 ppm. The highest degradation efficiency is found to be 93% and 95% for the 3 mol.% of Ho and Yb-doped V2O5 samples within 2 hours, respectively. It is elucidated that the RE ions significantly impact the catalytic behavior of V2O5, and the mechanism behind these extraordinary efficiencies has been explained thoroughly.

研究の動機と目的

• 可視光照射下におけるV2O5の光触媒効率を向上させること。
• レアアースイオンドーピング（HoおよびYb）がV2O5の構造的および光学的特性に与える影響を調査すること。
• 最大の分解効率を得るためのドーピング濃度および反応条件（pH、触媒負荷量）を最適化すること。
• レアアースドーピングによる光触媒的性能向上の背後にあるメカニズムを理解すること。
• ドーピングV2O5材料を対象とした環境に優しく、スケーラブルな水熱合成経路を開発すること。

提案手法

• 制御された温度および時間で、簡便な水熱法を用いてHoおよびYbドーピングV2O5を合成する。
• X線回折（XRD）分析を用いて正交晶系構造の確認および二次相の検出を行う。
• 紫外可視分光法（UV-vis）を用いてバンドギャップエネルギーおよび吸光特性を決定する。
• シュレアの式およびウィリアムソン＝ホール方程式を用いて、XRDピークの広がりから結晶子サイズ、格子ひずみ、不履歴密度を計算する。
• 可視光照射下でモデル汚染物質を用いた光触媒的分解実験を行い、pHおよび触媒濃度（最適500 ppm）を変化させる。
• 異なるドーピングレベルにおける触媒的性能を定量化するため、時間経過に伴う分解効率を体系的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レアアースイオンドーピング（HoおよびYb）は、V2O5の結晶構造および相純度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 光触媒的分解効率を最大化するための最適ドーピング濃度（1、3、5 mol.%）は何か？
• RQ3 pHおよび触媒濃度は、ドーピングV2O5の光触媒的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 レアアースイオンは、電荷再結合の低減および可視光吸収の向上に果たす役割は何か？
• RQ5 HoおよびYbドーピングV2O5における光触媒的活性向上の背後にある基本的メカニズムは何か？

主な発見

• 3 mol.% HoドーピングV2O5は、可視光照射下で2時間以内に有機汚染物質を93%分解した。
• 3 mol.% YbドーピングV2O5は、同じ時間内に最高の分解効率95%を示した。
• XRD分析により、ドーピングV2O5は二次相を示さない安定した正交晶系構造を確認した。これは固溶体形成を示している。
• ドーピングV2O5のバンドギャップは可視光範囲に保たれ、ドーピング濃度が高くなるに従い吸光強度が増加した。
• 3 mol.%ドーピングで格子ひずみおよび不履歴密度が顕著に増加し、電荷分離を促進すると考えられる構造的歪みが生じた。
• 最適な光触媒的性能はpH 7および触媒濃度500 ppmで観察され、表面電荷および反応性のpH依存性が示された。