Please wait a minute...
Frontiers of Materials Science

ISSN 2095-025X

ISSN 2095-0268(Online)

CN 11-5985/TB

邮发代号 80-974

2019 Impact Factor: 1.747

Frontiers of Materials Science  2017, Vol. 11 Issue (2): 120-129   https://doi.org/10.1007/s11706-017-0379-7
  本期目录
Crystal-chemistry insight into the photocatalytic activity of BiOClxBr1--x nanoplate solid solutions
Huan-Yan XU(), Xu HAN, Qu TAN, Ke-Jia WU, Shu-Yan QI
School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China
 全文: PDF(446 KB)   HTML
Abstract

In this study, a facile alcoholysis method was developed to synthesize BiOClxBr1--x nanoplates at room temperature and atmospheric pressure. In this route, strong acid or alkaline environment was absolutely avoided to realize the high exposure of {001} crystal facets. The regular changes in XRD peaks and cell parameters as a function of the Br content strongly declared that the obtained BiOClxBr1--x products belonged to a group of solid solutions. The 2D nanosheets with in-plane wrinkles were clearly observed in TEM images. Interestingly, as the Br content increased, band gaps of BiOClxBr1--x solid solutions gradually decreased. The photocatalytic degradation of RhB under simulated sunlight irradiation indicated that BiOCl0.5Br0.5 had the best photocatalytic activity. From the viewpoint of crystal chemistry, the photocatalytic activity of BiOClxBr1--x solid solutions was closely related with the exposure amount of {001} facets, interlayer spacing of (001) plane and energy-level position of valence band.

Key wordsBiOClxBr1--x solid solutions    {001} facets exposure    internal electric field    interlayer spacing    energy-level position
收稿日期: 2017-03-08      出版日期: 2017-05-26
Corresponding Author(s): Huan-Yan XU   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Materials Science, 2017, 11(2): 120-129.
Huan-Yan XU, Xu HAN, Qu TAN, Ke-Jia WU, Shu-Yan QI. Crystal-chemistry insight into the photocatalytic activity of BiOClxBr1--x nanoplate solid solutions. Front. Mater. Sci., 2017, 11(2): 120-129.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/foms/CN/10.1007/s11706-017-0379-7
https://academic.hep.com.cn/foms/CN/Y2017/V11/I2/120
Fig.1  
Samplea /nmc /nmBand gap /eVAbsolute electronegativity, χ /eVCalculated CB bottom /eVCalculated VB top /eV
BiOCl0.38880.73813.286.650.513.79
BiOCl0.75Br0.250.38970.75283.186.600.513.69
BiOCl0.5Br0.50.39080.76372.996.550.563.55
BiOCl0.25Br0.750.39610.77082.966.500.523.48
BiOBr0.39870.77842.866.450.523.38
Tab.1  
Fig.2  
Fig.3  
Fig.4  
Fig.5  
Fig.6  
Fig.7  
Fig.8  
Fig.9  
Fig.10  
Fig.11  
1 Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238(5358): 37–38
https://doi.org/10.1038/238037a0 pmid: 12635268
2 Daghrir R, Drogui P, Robert D. Modified TiO2 for environmental photocatalytic application: a review. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(10): 3581–3599
https://doi.org/10.1021/ie303468t
3 Kuo Y L, Su T L, Kung F C, et al.. A study of parameter setting and characterization of visible-light driven nitrogen-modified commercial TiO2 photocatalysts. Journal of Hazardous Materials, 2011, 190(1-3): 938–944
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.04.031 pmid: 21555185
4 Chen X, Liu L, Huang F. Black titanium dioxide (TiO2) nanomaterials. Chemical Society Reviews, 2015, 44(7): 1861–1885
https://doi.org/10.1039/C4CS00330F pmid: 25590565
5 Kumar S G, Devi L G. Review on modified TiO2 photocatalysis under UV/visible light: selected results and related mechanisms on interfacial charge carrier transfer dynamics. The Journal of Physical Chemistry A, 2011, 115(46): 13211–13241
https://doi.org/10.1021/jp204364a pmid: 21919459
6 Nowotny J, Alim M A, Bak T, et al.. Defect chemistry and defect engineering of TiO2-based semiconductors for solar energy conversion. Chemical Society Reviews, 2015, 44(23): 8424–8442
https://doi.org/10.1039/C4CS00469H pmid: 26446476
7 Schneider J, Matsuoka M, Takeuchi M, et al.. Understanding TiO2 photocatalysis: mechanisms and materials. Chemical Reviews, 2014, 114(19): 9919–9986
https://doi.org/10.1021/cr5001892 pmid: 25234429
8 Kapilashrami M, Zhang Y, Liu Y S, et al.. Probing the optical property and electronic structure of TiO2 nanomaterials for renewable energy applications. Chemical Reviews, 2014, 114(19): 9662–9707
https://doi.org/10.1021/cr5000893 pmid: 25137023
9 Meng X C, Zhang Z S. Bismuth-based photocatalytic semiconductors: introduction, challenges and possible approaches. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2016, 423: 533–549
https://doi.org/10.1016/j.molcata.2016.07.030
10 Bhachu D S, Moniz S J A, Sathasivam S, et al.. Bismuth oxyhalides: synthesis, structure and photoelectrochemical activity. Chemical Science, 2016, 7(8): 4832–4841
https://doi.org/10.1039/C6SC00389C
11 Li G, Qin F, Wang R, et al.. BiOX (X= Cl, Br, I) nanostructures: mannitol-mediated microwave synthesis, visible light photocatalytic performance, and Cr(VI) removal capacity. Journal of Colloid and Interface Science, 2013, 409: 43–51
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2013.07.068 pmid: 23993783
12 Keramidas K G, Voutsas G P, Rentzeperis P I. The crystal structure of BiOCl. Zeitschrift fur Kristallographie, 1993, 205: 35–40
13 Bannister F A, Hey M H. The crystal-structure of the bismuth oxyhalides. Mineralogical Magazine, 1935, 24(149): 49–58
https://doi.org/10.1180/minmag.1935.024.149.01
14 Li J, Yu Y, Zhang L. Bismuth oxyhalide nanomaterials: layered structures meet photocatalysis. Nanoscale, 2014, 6(15): 8473–8488
https://doi.org/10.1039/C4NR02553A pmid: 24975748
15 Xu Z F, Hao W C, Zhang Q F, et al.. Indirect-direct band transformation of few-layer BiOCl under biaxial strain. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(16): 8589–8594
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b12258
16 Cheng H, Huang B, Dai Y. Engineering BiOX (X= Cl, Br, I) nanostructures for highly efficient photocatalytic applications. Nanoscale, 2014, 6(4): 2009–2026
https://doi.org/10.1039/c3nr05529a pmid: 24430623
17 Yin S, Di J, Li M, et al.. Ionic liquid-assisted synthesis and improved photocatalytic activity of p-n junction g-C3N4/BiOCl. Journal of Materials Science, 2016, 51(10): 4769–4777
https://doi.org/10.1007/s10853-016-9746-5
18 Tripathi G K, Kurchania R. Effect of doping on structural, optical and photocatalytic properties of bismuth oxychloride nanomaterials. Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2016, 27(5): 5079–5088
https://doi.org/10.1007/s10854-016-4398-4
19 Keller E, Krämer V. A strong deviation from Vegard’s rule: X-ray powder investigations of the three quasi-binary phase systems BiOX‒BiOY (X, Y= Cl, Br, I). Zeitschrift für Naturforschung B, 2014, 60(12): 1255–1263
20 Gnayem H, Sasson Y. Hierarchical nanostructured 3D flowerlike BiOClxBr1−x semiconductors with exceptional visible light photocatalytic activity. ACS Catalysis, 2013, 3(2): 186–191
https://doi.org/10.1021/cs3005133
21 Mao X M, Fan C M. Effect of light response on the photocatalytic activity of BiOClxBr1−x in the removal of Rhodamine B from water. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2013, 20(11): 1089–1096
https://doi.org/10.1007/s12613-013-0838-9
22 Zhang X, Wang L W, Wang C Y, et al.. Synthesis of BiOClxBr1−x nanoplate solid solutions as a robust photocatalyst with tunable band structure. Chemistry, 2015, 21(33): 11872–11877
https://doi.org/10.1002/chem.201501427 pmid: 26178487
23 Du D D, Li W J, Chen S S, et al.. Synergistic degradation of rhodamine B on BiOClxBr1−x sheets by combined photosensitization and photocatalysis under visible light irradiation. New Journal of Chemistry, 2015, 39(4): 3129–3136
https://doi.org/10.1039/C5NJ00227C
24 Li T B, Chen G, Zhou C, et al.. New photocatalyst BiOCl/BiOI composites with highly enhanced visible light photocatalytic performances. Dalton Transactions, 2011, 40(25): 6751–6758
https://doi.org/10.1039/c1dt10471c pmid: 21617792
25 Xiao X, Hao R, Liang M, et al.. One-pot solvothermal synthesis of three-dimensional (3D) BiOI/BiOCl composites with enhanced visible-light photocatalytic activities for the degradation of bisphenol-A. Journal of Hazardous Materials, 2012, 233‒234: 122–130
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.06.062 pmid: 22818177
26 Dong F, Sun Y, Fu M, et al.. Room temperature synthesis and highly enhanced visible light photocatalytic activity of porous BiOI/BiOCl composites nanoplates microflowers. Journal of Hazardous Materials, 2012, 219‒220: 26–34
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.03.015 pmid: 22502896
27 Sun L M, Xiang L, Zhao X, et al.. Enhanced visible-light photocatalytic activity of BiOI/BiOCl heterojunctions: key role of crystal facet combination. ACS Catalysis, 2015, 5(6): 3540–3551
https://doi.org/10.1021/cs501631n
28 Yang C Y, Li F, Zhang M, et al.. Preparation and first-principles study for electronic structures of BiOI/BiOCl composites with highly improved photocatalytic and adsorption performances. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2016, 423: 1–11
https://doi.org/10.1016/j.molcata.2016.06.007
29 Jia Z F, Wang F M, Xin F, et al.. Simple solvothermal routes to synthesize 3D BiOBrxI1−x microspheres and their visible-light-induced photocatalytic properties. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(11): 6688–6694
https://doi.org/10.1021/ie102310a
30 Lin L, Huang M H, Long L P, et al.. Fabrication of a three-dimensional BiOBr/BiOI photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic performance. Ceramics International, 2014, 40(8): 11493–11501
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.03.039
31 Zheng C, Cao C, Ali Z. In situ formed Bi/BiOBrxI1−x heterojunction of hierarchical microspheres for efficient visible-light photocatalytic activity. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17(20): 13347–13354
https://doi.org/10.1039/C5CP01655J pmid: 25923948
32 Zhang X, Wang C Y, Wang L W, et al.. Fabrication of BiOBrxI1−x photocatalysts with tunable visible light catalytic activity by modulating band structures. Scientific Reports, 2016, 6: 22800
https://doi.org/10.1038/srep22800 pmid: 26948684
33 Ou M Y, Dong F, Zhang W, et al.. Efficient visible light photocatalytic oxidation of NO in air with band-gap tailored (BiO)2CO3-BiOI solid solutions. Chemical Engineering Journal, 2014, 255: 650–658
https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.06.086
34 Ding J, Dai Z, Qin F, et al.. Z-scheme BiO1−xBr/Bi2O2CO3 photocatalyst with rich oxygen vacancy as electron mediator for highly efficient degradation of antibiotics. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 205: 281–291
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.12.018
35 Tian F, Xiong J Y, Zhao H P, et al.. Mannitol-assisted solvothermal synthesis of BiOCl hierarchical nanostructures and their mixed organic dye adsorption capacities. CrystEngComm, 2014, 16(20): 4298–4305
https://doi.org/10.1039/c4ce00160e
36 Tian F, Zhang Y F, Li G F, et al.. Thickness-tunable solvothermal synthesis of BiOCl nanosheets and their photosensitization catalytic performance. New Journal of Chemistry, 2015, 39(2): 1274–1280
https://doi.org/10.1039/C4NJ01591F
37 Li G F, Qin F, Yang H, et al.. Facile microwave synthesis of 3D flowerlike BiOBr nanostructures and their excellent CrVI removal capacity. European Journal of Inorganic Chemistry, 2012, (15): 2508–2513
https://doi.org/10.1002/ejic.201101427
38 Cui P Z, Wang J L, Wang Z M, et al.. Bismuth oxychloride hollow microspheres with high visible light photocatalytic activity. Nano Research, 2016, 9(3): 593–601
https://doi.org/10.1007/s12274-015-0939-z
39 Xiong J Y, Cheng G, Qin F, et al.. Tunable BiOCl hierarchical nanostructures for high-efficient photocatalysis under visible light irradiation. Chemical Engineering Journal, 2013, 220: 228–236
https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.01.033
40 Chen H B, Yu X, Zhu Y, et al.. Controlled synthesis of {001} facets-dominated dye-sensitized BiOCl with high photocatalytic efficiency under visible-light irradiation. Journal of Nanoparticle Research, 2016, 18(8): 225
https://doi.org/10.1007/s11051-016-3529-4
41 Li J, Zhang L, Li Y, et al.. Synthesis and internal electric field dependent photoreactivity of Bi3O4Cl single-crystalline nanosheets with high {001} facet exposure percentages. Nanoscale, 2014, 6(1): 167–171
https://doi.org/10.1039/C3NR05246J pmid: 24217387
42 Lei Y Q, Wang G H, Song S Y, et al.. Synthesis, characterization and assembly of BiOCl nanostructure and their photocatalytic properties. CrystEngComm, 2009, 11(9): 1857–1862
https://doi.org/10.1039/b909013b
43 Liu Y, Son W J, Lu J, et al.. Composition dependence of the photocatalytic activities of BiOCl1−xBrx solid solutions under visible light. Chemistry, 2011, 17(34): 9342–9349
https://doi.org/10.1002/chem.201100952 pmid: 21732448
44 Li H, Shi J, Zhao K, et al.. Sustainable molecular oxygen activation with oxygen vacancies on the 001 facets of BiOCl nanosheets under solar light. Nanoscale, 2014, 6(23): 14168–14173
https://doi.org/10.1039/C4NR04810E pmid: 25329732
45 Feng H, Xu Z, Wang L, et al.. Modulation of photocatalytic properties by strain in 2D BiOBr nanosheets. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(50): 27592–27596
https://doi.org/10.1021/acsami.5b08904 pmid: 26640966
46 Xu H Y, Wu L C, Jin L G, et al.. Combination mechanism and enhanced visible-light photocatalytic activity and stability of CdS/g-C3N4 heterojunctions. Journal of Materials Science and Technology, 2017, 33(1): 30–38
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.04.008
47 Li J, Li H, Zhan G, et al.. Solar water splitting and nitrogen fixation with layered bismuth oxyhalides. Accounts of Chemical Research, 2017, 50(1): 112–121
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00523 pmid: 28009157
48 Xiong J Y, Cheng G, Li G F, et al.. Well-crystallized square-like 2D BiOCl nanoplates: mannitol-assisted hydrothermal synthesis and improved visible-light-driven photocatalytic performance. RSC Advances, 2011, 1(8): 1542–1553
https://doi.org/10.1039/c1ra00335f
49 Jiang J, Zhao K, Xiao X, et al.. Synthesis and facet-dependent photoreactivity of BiOCl single-crystalline nanosheets. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(10): 4473–4476
https://doi.org/10.1021/ja210484t pmid: 22379954
50 Zhao J L, Lv X W, Wang X X, et al.. Fabrication of BiOX (X= Cl, Br, and I) nanosheeted films by anodization and their photocatalytic properties. Materials Letters, 2015, 158: 40–44
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.05.037
51 Jia M, Hu X, Wang S, et al.. Photocatalytic properties of hierarchical BiOXs obtained via an ethanol-assisted solvothermal process. Journal of Environmental Sciences, 2015, 35(9): 172–180
https://doi.org/10.1016/j.jes.2014.09.045 pmid: 26354706
52 Zhang Y Y, Sun X G, Yang G Z, et al.. Preparation and characterization of bifunctional BiOClxIy solid solutions with excellent adsorption and photocatalytic abilities for removal of organic dyes. Materials Science in Semiconductor Processing, 2016, 41: 193–199
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.08.040
53 Zhang W D, Zhang Q, Dong F. Visible-light photocatalytic removal of NO in air over BiOX (X= Cl, Br, I) single-crystal nanoplates prepared at room temperature. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(20): 6740–6746
https://doi.org/10.1021/ie400615f
54 Shang J, Hao W C, Lv X J, et al.. Bismuth oxybromide with reasonable photocatalytic reduction activity under visible light. ACS Catalysis, 2014, 4(3): 954–961
https://doi.org/10.1021/cs401025u
55 Tian F, Zhao H P, Dai Z, et al.. Mediation of valence band maximum of BiOI by Cl incorporation for improved oxidation power in photocatalysis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(17): 4969–4978
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b00847
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed