[논문 리뷰] Enhancement of photocatalytic performance of V2O5 by rare-earth ions doping, synthesized by facile hydrothermal technique

M. H. Kabir, Md. Zakir Hossain외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 17.

Transition Metal Oxide NanomaterialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 간편한 수열 합성 방법을 사용하여 홀미우머(Ho) 및 이트르니움(Yb) 희토류 이온을 도핑하여 V2O5의 광촉활 성능을 향상시켰다. 3 mol.% 도핑 시 광합성 반응에서의 가시광선 활성도가 크게 향상되어 각각 2시간 이내에 유기 오염물질의 93%와 95%를 분해하는 데 성공했으며, 이는 최적화된 밴드 갭과 전하 재결합 감소로 인한 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가시광선 조사 하에서 V2O5의 광촉활 효율을 향상시키기 위해.
• 희토류 이온 도핑(Ho 및 Yb)이 V2O5의 구조적 및 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 최대 분해 효율을 얻기 위해 도핑 농도와 반응 조건(pH, 촉매 농도)을 최적화하기 위해.
• 희토류 이온 도핑으로 인한 광촉활 성능 향상 배경 메커니즘을 이해하기 위해.
• 도핑된 V2O5 재료를 위한 환경 친화적이고 확장 가능한 수열 합성 경로를 개발하기 위해.

제안 방법

• 통제된 온도와 반응 시간에서 간편한 수열 합성 방법을 사용하여 Ho 및 Yb 도핑 V2O5를 합성하였다.
• X선 회절(XRD) 분석을 통해 정방형 결정 구조의 확인 및 부가 상 검출.
• 자외선-가시광선 분산 반사율 스펙트로스코피를 통해 밴드 갭 에너지 및 광학적 흡수 특성 측정.
• Scherrer 및 Williamson-Hall 방정식을 사용하여 XRD 피크의 넓이로부터 결정립 크기, 격자 응력, 비스코시스 밀도 계산.
• 가시광선 조사 하에서 모델 오염물질을 사용한 광촉활 분해 실험을 수행하고 pH 및 촉매 농도를 변화시켰다(최적 농도 500 ppm).
• 다양한 도핑 농도에서의 분해 효율을 시간 경과에 따라 체계적으로 평가하여 촉매 성능 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희토류 이온 도핑(Ho 및 Yb)은 V2O5의 결정 구조 및 상 순도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 광촉활 분해 효율을 최대화하기 위한 최적의 도핑 농도(1, 3, 5 mol.%)는 무엇인가?
• RQ3 pH 및 촉매 농도는 도핑된 V2O5의 광촉활 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 희토류 이온은 전하 재결합을 줄이고 가시광선 흡수를 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 Ho 및 Yb 도핑 V2O5에서 향상된 광촉활 활성도를 유도하는 근본적인 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• Ho 도핑 V2O5는 3 mol.%에서 가시광선 조사 하에서 2시간 이내에 유기 오염물질의 93%를 분해하는 데 성공했다.
• Yb 도핑 V2O5는 동일한 시간 내에 최고의 분해 효율 95%를 나타내었다.
• XRD 분석을 통해 도핑된 V2O5의 안정된 정방형 구조와 부가 상 없음을 확인하였으며, 이는 고체 용액 형성의 가능성을 시사한다.
• 도핑된 V2O5의 밴드 갭은 여전히 가시광선 범위에 유지되었으며, 높은 도핑 농도에서 흡수 강도가 증가하였다.
• 3 mol.% 도핑 시 격자 응력과 비스코시스 밀도가 크게 증가하여 전하 분離를 향상시킬 수 있는 구조적 왜곡이 발생했음을 나타냈다.
• 최적의 광촉활 성능은 pH 7 및 촉매 농도 500 ppm에서 관찰되었으며, 이는 표면 전하 및 반응성의 pH 의존성을 시사한다.