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Plasma-Assisted construction of waterfall-type IEF in N-TiO2/WO3 S-scheme heterojunction for efficient Visible-Light-Driven degradation of Cl-VOCs
Separation and Purification Technology ( IF 8.1 ) Pub Date : 2024-11-19 , DOI: 10.1016/j.seppur.2024.130626 Ran Sun, Yujie Tan, Wei Zhao, Lijie Song, Ruina Zhang, Xingang Liu, Jianyuan Hou, Yuan Yuan, Feng Qin, Danyan Cen, Renxi Zhang
Separation and Purification Technology ( IF 8.1 ) Pub Date : 2024-11-19 , DOI: 10.1016/j.seppur.2024.130626 Ran Sun, Yujie Tan, Wei Zhao, Lijie Song, Ruina Zhang, Xingang Liu, Jianyuan Hou, Yuan Yuan, Feng Qin, Danyan Cen, Renxi Zhang
Constructing S-scheme heterojunctions with a robust internal electric field (IEF) to enhance the photocatalytic degradation of chlorinated volatile organic compounds (Cl-VOCs) presents a significant challenge. Herein, an innovative S-scheme heterojunction of N-doped titanium dioxide (TiO2) and tungsten trioxide (WO3) with abundant oxygen vacancies (OVs) was first synthesized and manipulated via an eco-friendly two-step plasma. The charge transfer pathway between TiO2 and WO3 was analyzed using UV–Vis DRS, XPS, UPS, and EPR measurements, confirming the successful formation of the S-scheme heterojunction. Interestingly, two novel types of IEF: stream-type and waterfall-type were first proposed to distinguish the IEF strength before and after regulation. Under visible light, 5NTW with the optimal ratio (4.66 at% nitrogen and 5 wt% WO3) achieved the highest degradation efficiency and carbon dioxide mineralization rate of 95.4% and 94.1% for chlorobenzene, respectively. The performance enhancement was attributed to the fact that N-doping modifies the electronic structure and work function of TiO2, enhancing the Fermi level difference (ΔEf) with WO3. Meanwhile, the plasma treatment roughened the surface topography of the catalyst and increased the content of OVs, which serve as charge traps and bolster active sites. These synergies led to a transformation from a stream-type IEF of TW to a waterfall-type IEF of 5NTW. KPFM, zeta potential tests, and DFT calculations confirmed that the IEF strength and the number of electron transfers in the waterfall-type IEF are 3.17 and 2.04 times greater, respectively, than those in the stream-type IEF. This strategy transcends the limitations of previous work, offering a novel perspective on the integrated optimization of photocatalysts for superior performance and also further broadens the application prospects of nonthermal plasma technology.
中文翻译:
在 N-TiO2/WO3 S 型异质结中等离子体辅助构建瀑布式 IEF,用于高效可见光驱动降解 Cl-VOCs
构建具有稳健内电场 (IEF) 的 S 型异质结以增强氯化挥发性有机化合物 (Cl-VOC) 的光催化降解是一项重大挑战。在此,首次合成了一种具有丰富氧空位 (OVs) 的 N 掺杂二氧化钛 (TiO2) 和三氧化钨 (WO3) 的创新 S 型异质结,并通过环保的两步等离子体进行操纵。使用紫外-可见光 DRS、XPS、UPS 和 EPR 测量分析 TiO2 和 WO3 之间的电荷转移途径,证实了 S 型异质结的成功形成。有趣的是,首次提出了两种新型 IEF:溪流型和瀑布型,以区分调节前后的 IEF 强度。在可见光下,最佳配比 (4.66 at% 氮和 5 wt% WO3) 的 5NTW 对氯苯的降解效率和二氧化碳矿化率分别为 95.4% 和 94.1%。性能的提高归因于这样一个事实:N 掺杂改变了 TiO2 的电子结构和功函数,增强了与 WO3 的费米能级差 (ΔEf)。同时,等离子体处理使催化剂的表面形貌粗糙化,并增加了 OVs 的含量,OVs 用作电荷陷阱和增强活性位点。这些协同效应导致从 TW 的溪流型 IEF 转变为 5NTW 的瀑布式 IEF。KPFM、zeta 电位测试和 DFT 计算证实,瀑布型 IEF 中的 IEF 强度和电子转移次数分别是流型 IEF 中的 3.17 倍和 2.04 倍。 这一策略超越了以往工作的局限性,为光催化剂的集成优化以获得卓越的性能提供了新的视角,也进一步拓宽了非热等离子体技术的应用前景。
更新日期:2024-11-20
中文翻译:
在 N-TiO2/WO3 S 型异质结中等离子体辅助构建瀑布式 IEF,用于高效可见光驱动降解 Cl-VOCs
构建具有稳健内电场 (IEF) 的 S 型异质结以增强氯化挥发性有机化合物 (Cl-VOC) 的光催化降解是一项重大挑战。在此,首次合成了一种具有丰富氧空位 (OVs) 的 N 掺杂二氧化钛 (TiO2) 和三氧化钨 (WO3) 的创新 S 型异质结,并通过环保的两步等离子体进行操纵。使用紫外-可见光 DRS、XPS、UPS 和 EPR 测量分析 TiO2 和 WO3 之间的电荷转移途径,证实了 S 型异质结的成功形成。有趣的是,首次提出了两种新型 IEF:溪流型和瀑布型,以区分调节前后的 IEF 强度。在可见光下,最佳配比 (4.66 at% 氮和 5 wt% WO3) 的 5NTW 对氯苯的降解效率和二氧化碳矿化率分别为 95.4% 和 94.1%。性能的提高归因于这样一个事实:N 掺杂改变了 TiO2 的电子结构和功函数,增强了与 WO3 的费米能级差 (ΔEf)。同时,等离子体处理使催化剂的表面形貌粗糙化,并增加了 OVs 的含量,OVs 用作电荷陷阱和增强活性位点。这些协同效应导致从 TW 的溪流型 IEF 转变为 5NTW 的瀑布式 IEF。KPFM、zeta 电位测试和 DFT 计算证实,瀑布型 IEF 中的 IEF 强度和电子转移次数分别是流型 IEF 中的 3.17 倍和 2.04 倍。 这一策略超越了以往工作的局限性,为光催化剂的集成优化以获得卓越的性能提供了新的视角,也进一步拓宽了非热等离子体技术的应用前景。