[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过简便的水热合成法，采用钬（Ho）和镱（Yb）稀土离子掺杂，提升了V2O5的光催化性能。在3 mol.%掺杂时，显著提高了可见光驱动的降解效率，分别在2小时内实现了93%和95%的有机污染物降解率，这是由于能带隙得到优化并减少了电荷复合。

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.

研究动机与目标

• 提高V2O5在可见光照射下的光催化效率。
• 研究稀土离子掺杂（Ho和Yb）对V2O5结构和光学性能的影响。
• 优化掺杂浓度及反应条件（pH、催化剂负载量）以实现最大降解效率。
• 理解稀土掺杂增强光催化性能的机理。
• 开发一种环境友好、可放大的水热合成路线，用于制备掺杂V2O5材料。

提出的方法

• 在控制温度和时间的条件下，通过简便的水热法合成Ho-和Yb-掺杂的V2O5。
• 采用X射线衍射（XRD）分析确认正交晶系结构并检测是否存在第二相。
• 利用紫外-可见漫反射光谱测定带隙能量和光学吸收特性。
• 基于XRD衍射峰宽化，利用Scherrer方程和Williamson-Hall方程计算晶粒尺寸、晶格应变和位错密度。
• 在可见光照射下，通过改变pH和催化剂浓度（500 ppm为最佳值），对模型污染物进行光催化降解实验。
• 系统评估不同时间点的降解效率，以量化不同掺杂水平下的催化性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀土离子掺杂（Ho和Yb）如何影响V2O5的晶体结构和相纯度？
• RQ2 在1、3、5 mol.%的掺杂浓度中，哪种浓度能最大化光催化降解效率？
• RQ3 pH和催化剂浓度如何影响掺杂V2O5的光催化性能？
• RQ4 稀土离子在减少电荷复合和增强可见光吸收方面发挥什么作用？
• RQ5 Ho-和Yb-掺杂V2O5中光催化活性增强的内在机理是什么？

主要发现

• 在3 mol.%掺杂时，Ho-掺杂V2O5在可见光照射下2小时内对有机污染物的降解效率达到93%。
• 在3 mol.%掺杂时，Yb-掺杂V2O5在相同时间内表现出最高的降解效率，达到95%。
• XRD分析证实，掺杂V2O5具有稳定的正交晶系结构，无第二相存在，表明形成了固溶体。
• 掺杂V2O5的带隙保持在可见光范围内，且随着掺杂浓度升高，吸收强度增强。
• 在3 mol.%掺杂时，晶格应变和位错密度显著增加，表明结构发生畸变，可能有助于提高电荷分离效率。
• 最佳光催化性能出现在pH=7和催化剂浓度为500 ppm时，表明表面电荷和反应活性具有pH依赖性。