ZnFe₂O₄ deposited on BiOCl with exposed (001) and (010) facets for photocatalytic reduction of CO₂ in cyclohexanol

Abstract

ZnFe₂O₄-BiOCl composites were prepared by both hydrothermal and direct precipitation processes and the structures and properties of the samples were characterized by various instrumental techniques. The samples were then used as catalysts for the photocatalytic reduction of CO₂ in cyclohexanol under ultraviolet irradiation to give cyclohexanone (CH) and cyclohexyl formate (CF). The photocatalytic CO₂ reduction activities over the hydrothermally prepared ZnFe₂O₄-BiOCl composites were higher than those over the directly-precipitated composites. This is because compared to the direct-precipitation sample, the ZnFe₂O₄ nanoparticles in the hydrothermal sample were smaller and more uniformly distributed on the surface of BiOCl and so more heterojunctions were formed. Higher CF and CH yields were obtained for the pure BiOCl and BiOCl composite samples with more exposed (001) facets than for the samples with more exposed (010) facets. This is due to the higher density of oxygen atoms in the exposed (001) facets, which creates more oxygen vacancies, and thereby improves the separation efficiency of the electron-hole pairs. More importantly, irradiation of the (001) facets with ultraviolet light produces photo-generated electrons which is helpful for the reduction of CO₂ to ·CO₂^–. The mechanism for the photocatalytic reduction of CO₂ in cyclohexanol over ZnFe₂O₄-BiOCl composites with exposed (001) facets involves electron transfer and carbon radical formation.

Graphical abstract

Keywords

reduction of CO₂ / cyclohexanol / ZnFe₂O₄ deposited BiOCl / facet / composite photocatalyst

References

[1] He Y, Wang Y, Zhang L, Teng B, Fan M. High-efficiency conversion of CO₂ to fuel over ZnO/g-C₃N₄ photocatalyst. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 168: 1–8

[2] Ehsan M F, He T. In situ synthesis of ZnO/ZnTe common cation heterostructure and its visible-light photocatalytic reduction of CO₂ into CH₄. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 166: 345–352

[3] Habisreutinger S N, Schmidt-Mende L, Stolarczyk J K. Photocatalytic reduction of CO₂ on TiO₂ and other semiconductors. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(29): 7372–7408

[4] Liu Y, Zhou S, Li J, Wang Y, Jiang G, Zhao Z, Liu B, Gong X, Duan A, Liu J, Wei Y, Zhang L. Photocatalytic reduction of CO₂ with water vapor on surface La-modified TiO₂ nanoparticles with enhanced CH₄ selectivity. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 168: 125–131

[5] Liu Q, Zhou Y, Kou J, Chen X, Tian Z, Gao J, Yan S, Zou Z. High-yield synthesis of ultralong and ultrathin Zn₂GeO₄ nanoribbons toward improved photocatalytic reduction of CO₂ into renewable hydrocarbon fuel. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(41): 14385–14387

[6] Fan W, Zhang Q, Wang Y. Semiconductor-based nanocomposites for photocatalytic H₂ production and CO₂ conversion. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15(8): 2632–2649

[7] Richardson P L, Perdigoto M L N, Wang W, Lopes R J G. RETRACTED: Heterogeneous photo-enhanced conversion of carbon dioxide to formic acid with copper-and gallium-doped titania nanocomposites. Applied Catalysis B: Environmental, 2013, 132: 408–415

[8] Asi M A, He C, Su M, Xia D, Lin L, Deng H, Xiong Y, Qiu R, Li X. Photocatalytic reduction of CO₂ to hydrocarbons using AgBr/TiO₂ nanocomposites under visible light. Catalysis Today, 2011, 175(1): 256–263

[9] He Z, Wen L, Wang D, Xue Y, Lu Q, Wu C, Chen J, Song S. Photocatalytic reduction of CO₂ in aqueous solution on surface-fluorinated anatase TiO₂ nanosheets with exposed {001} facets. Energy & Fuels, 2014, 28(6): 3982–3993

[10] Xu H, Ouyang S, Li P, Kako T, Ye J. High-active anatase TiO₂ nanosheets exposed with 95% {100} facets toward efficient H₂ evolution and CO₂ photoreduction. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(4): 1348–1354

[11] Wang W N, Wu F, Myung Y, Niedzwiedzki D M, Im H S, Park J, Banerjee P, Biswas P. Surface engineered CuO nanowires with ZnO islands for CO₂ photoreduction. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(10): 5685–5692

[12] Zhou Y, Tian Z, Zhao Z, Liu Q, Kou J, Chen X, Gao J, Yan S, Zou Z. High-yield synthesis of ultrathin and uniform Bi₂WO₆ square nanoplates benefitting from photocatalytic reduction of CO₂ into renewable hydrocarbon fuel under visible light. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(9): 3594–3601

[13] Liu Q, Zhou Y, Kou J, Chen X, Tian Z, Gao J, Yan S, Zou Z. High-yield synthesis of ultralong and ultrathin Zn₂GeO₄ nanoribbons toward improved photocatalytic reduction of CO₂ into renewable hydrocarbon fuel. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(41): 14385–14387

[14] Chen X, Zhou Y, Liu Q, Li Z, Liu J, Zou Z. Ultrathin, single-crystal WO₃ nanosheets by two-dimensional oriented attachment toward enhanced photocatalystic reduction of CO₂ into hydrocarbon fuels under visible light. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4(7): 3372–3377

[15] Li X, Liu H, Luo D, Li J, Huang Y, Li H, Fang Y, Xu Y, Zhu L. Adsorption of CO₂ on heterostructure CdS (Bi₂S₃)/TiO₂ nanotube photocatalysts and their photocatalytic activities in the reduction of CO₂ to methanol under visible light irradiation. Chemical Engineering Journal, 2012, 180: 151–158

[16] Li X, Zhuang Z, Li W, Pan H. Photocatalytic reduction of CO₂ over noble metal-loaded and nitrogen-doped mesoporous TiO₂. Applied Catalysis A, General, 2012, 429: 31–38

[17] Xia J, Xu L, Zhang J, Yin S, Li H, Xu H, Di J. Improved visible light photocatalytic properties of Fe/BiOCl microspheres synthesized via self-doped reactable ionic liquids. CrystEngComm, 2013, 15(46): 10132–10141

[18] Zhang K, Liang J, Wang S, Liu J, Ren K, Zheng X, Luo H, Peng Y, Zou X, Bo X, Li J, Yu X. BiOCl sub-microcrystals induced by citric acid and their high photocatalytic activities. Crystal Growth & Design, 2012, 12(2): 793–803

[19] Zhu L P, Liao G H, Bing N C, Wang L L, Yang Y, Xie H Y. Self-assembled 3D BiOCl hierarchitectures: Tunable synthesis and characterization. CrystEngComm, 2010, 12(11): 3791–3796

[20] Jiang J, Zhao K, Xiao X, Zhang L. Synthesis and facet-dependent photoreactivity of BiOCl single-crystalline nanosheets. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(10): 4473–4476

[21] Li H, Zhang L. Oxygen vacancy induced selective silver deposition on the {001} facets of BiOCl single-crystalline nanosheets for enhanced Cr (VI) and sodium pentachlorophenate removal under visible light. Nanoscale, 2014, 6(14): 7805–7810

[22] Lin H, Ding L, Pei Z, Zhou Y, Long J, Deng W, Wang X. Au deposited BiOCl with different facets: On determination of the facet-induced transfer preference of charge carriers and the different plasmonic activity. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 160: 98–105

[23] Fu Y, Wang X. Magnetically separable ZnFe₂O₄-graphene catalyst and its high photocatalytic performance under visible light irradiation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(12): 7210–7218

[24] Kong L, Jiang Z, Xiao T, Lu L, Jonesac M O, Edwards Peter P. Exceptional visible-light-driven photocatalytic activity over BiOBr-ZnFe₂O₄ heterojunctions. Chemical Communications, 2011, 47(19): 5512–5514

[25] Song G, Xin F, Yin X. Photocatalytic reduction of carbon dioxide over ZnFe₂O₄/TiO₂ nanobeltsheterostructure in cyclohexanol. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 442: 60–66

[26] Yu T H, Cheng W Y, Chao K J, Lu S Y. ZnFe₂O₄ decorated CdS nanorods as a highly efficient, visible light responsive, photochemically stable, magnetically recyclable photocatalyst for hydrogen generation. Nanoscale, 2013, 5(16): 7356–7360

[27] Wang M, Sun L, Cai J, Huang P, Su Y, Lin C. A facile hydrothermal deposition of ZnFe₂O₄ nanoparticles on TiO₂ nanotube arrays for enhanced visible light photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(39): 12082–12087

[28] Guan M, Xiao C, Zhang J, Fan S, An R, Cheng Q, Xie J, Zhou M, Ye B, Xie Y. Vacancy associates promoting solar-driven photocatalytic activity of ultrathin bismuth oxychloride nanosheets. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(28): 10411–10417

[29] Zhang X, Wang X B, Wang L W, Wang W K. LongL L, LiW W, Yu H Q. Synthesis of a highly efficient BiOCl single-crystal nanodisk photocatalyst with exposing {001} facets. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(10): 7766–7772

[30] Zhang N, Yang M Q, Tang Z R, Xu Y J. CdS-graphene nanocomposites as visible light photocatalyst for redox reactions in water: A green route for selective transformation and environmental remediation. Journal of Catalysis, 2013, 303: 60–69

[31] Song G, Xin F, Chen J, Yin X. Photocatalytic reduction of CO₂ in cyclohexanol on CdS-TiO₂ heterostructuredphotocatalyst. Applied Catalysis A, General, 2014, 473: 90–95

[32] Ye L, Zan L, Tian L, Peng T, Zhang J. The {001} facets-dependent high photoactivity of BiOCl nanosheets. Chemical Communications, 2011, 47(24): 6951–6953

[33] Ye L, Deng K, Xu F, Tian L, Peng T, Zan L. Increasing visible-light absorption for photocatalysis with black BiOCl. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(1): 82–85

[34] Zhang S, Li J, Zeng M, ZhaoG, XuJ, HuW, WangX. In situ synthesis of water-soluble magnetic graphitic carbon nitride photocatalyst and its synergistic catalytic performance. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(23): 12735–12743

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg