Crystal-chemistry insight into the photocatalytic activity of BiOCl_xBr_1--x nanoplate solid solutions

Abstract

In this study, a facile alcoholysis method was developed to synthesize BiOCl_xBr_1--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 BiOCl_xBr_1--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 BiOCl_xBr_1--x solid solutions gradually decreased. The photocatalytic degradation of RhB under simulated sunlight irradiation indicated that BiOCl_0.5Br_0.5 had the best photocatalytic activity. From the viewpoint of crystal chemistry, the photocatalytic activity of BiOCl_xBr_1--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.

Keywords

BiOCl_xBr_1--x solid solutions / {001} facets exposure / internal electric field / interlayer spacing / energy-level position

References

[1] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238(5358): 37–38

[2] Daghrir R, Drogui P, Robert D. Modified TiO₂ for environmental photocatalytic application: a review. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(10): 3581–3599

[3] Kuo Y L, Su T L, Kung F C, . 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

[4] Chen X, Liu L, Huang F. Black titanium dioxide (TiO₂) nanomaterials. Chemical Society Reviews, 2015, 44(7): 1861–1885

[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

[6] Nowotny J, Alim M A, Bak T, . Defect chemistry and defect engineering of TiO₂-based semiconductors for solar energy conversion. Chemical Society Reviews, 2015, 44(23): 8424–8442

[7] Schneider J, Matsuoka M, Takeuchi M, . Understanding TiO₂ photocatalysis: mechanisms and materials. Chemical Reviews, 2014, 114(19): 9919–9986

[8] Kapilashrami M, Zhang Y, Liu Y S, . Probing the optical property and electronic structure of TiO₂ nanomaterials for renewable energy applications. Chemical Reviews, 2014, 114(19): 9662–9707

[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

[10] Bhachu D S, Moniz S J A, Sathasivam S, . Bismuth oxyhalides: synthesis, structure and photoelectrochemical activity. Chemical Science, 2016, 7(8): 4832–4841

[11] Li G, Qin F, Wang R, . 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

[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

[14] Li J, Yu Y, Zhang L. Bismuth oxyhalide nanomaterials: layered structures meet photocatalysis. Nanoscale, 2014, 6(15): 8473–8488

[15] Xu Z F, Hao W C, Zhang Q F, . Indirect-direct band transformation of few-layer BiOCl under biaxial strain. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(16): 8589–8594

[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

[17] Yin S, Di J, Li M, . Ionic liquid-assisted synthesis and improved photocatalytic activity of p-n junction g-C₃N₄/BiOCl. Journal of Materials Science, 2016, 51(10): 4769–4777

[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

[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 BiOCl_xBr_1−x semiconductors with exceptional visible light photocatalytic activity. ACS Catalysis, 2013, 3(2): 186–191

[21] Mao X M, Fan C M. Effect of light response on the photocatalytic activity of BiOCl_xBr_1−x in the removal of Rhodamine B from water. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2013, 20(11): 1089–1096

[22] Zhang X, Wang L W, Wang C Y, . Synthesis of BiOCl_xBr_1−x nanoplate solid solutions as a robust photocatalyst with tunable band structure. Chemistry, 2015, 21(33): 11872–11877

[23] Du D D, Li W J, Chen S S, . Synergistic degradation of rhodamine B on BiOCl_xBr_1−x sheets by combined photosensitization and photocatalysis under visible light irradiation. New Journal of Chemistry, 2015, 39(4): 3129–3136

[24] Li T B, Chen G, Zhou C, . New photocatalyst BiOCl/BiOI composites with highly enhanced visible light photocatalytic performances. Dalton Transactions, 2011, 40(25): 6751–6758

[25] Xiao X, Hao R, Liang M, . 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

[26] Dong F, Sun Y, Fu M, . 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

[27] Sun L M, Xiang L, Zhao X, . Enhanced visible-light photocatalytic activity of BiOI/BiOCl heterojunctions: key role of crystal facet combination. ACS Catalysis, 2015, 5(6): 3540–3551

[28] Yang C Y, Li F, Zhang M, . 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

[29] Jia Z F, Wang F M, Xin F, . Simple solvothermal routes to synthesize 3D BiOBr_xI_1−x microspheres and their visible-light-induced photocatalytic properties. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(11): 6688–6694

[30] Lin L, Huang M H, Long L P, . Fabrication of a three-dimensional BiOBr/BiOI photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic performance. Ceramics International, 2014, 40(8): 11493–11501

[31] Zheng C, Cao C, Ali Z. In situ formed Bi/BiOBr_xI_1−x heterojunction of hierarchical microspheres for efficient visible-light photocatalytic activity. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17(20): 13347–13354

[32] Zhang X, Wang C Y, Wang L W, . Fabrication of BiOBr_xI_1−x photocatalysts with tunable visible light catalytic activity by modulating band structures. Scientific Reports, 2016, 6: 22800

[33] Ou M Y, Dong F, Zhang W, . 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

[34] Ding J, Dai Z, Qin F, . Z-scheme BiO_1−xBr/Bi₂O₂CO₃ photocatalyst with rich oxygen vacancy as electron mediator for highly efficient degradation of antibiotics. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 205: 281–291

[35] Tian F, Xiong J Y, Zhao H P, . Mannitol-assisted solvothermal synthesis of BiOCl hierarchical nanostructures and their mixed organic dye adsorption capacities. CrystEngComm, 2014, 16(20): 4298–4305

[36] Tian F, Zhang Y F, Li G F, . Thickness-tunable solvothermal synthesis of BiOCl nanosheets and their photosensitization catalytic performance. New Journal of Chemistry, 2015, 39(2): 1274–1280

[37] Li G F, Qin F, Yang H, . Facile microwave synthesis of 3D flowerlike BiOBr nanostructures and their excellent Cr^VI removal capacity. European Journal of Inorganic Chemistry, 2012, (15): 2508–2513

[38] Cui P Z, Wang J L, Wang Z M, . Bismuth oxychloride hollow microspheres with high visible light photocatalytic activity. Nano Research, 2016, 9(3): 593–601

[39] Xiong J Y, Cheng G, Qin F, . Tunable BiOCl hierarchical nanostructures for high-efficient photocatalysis under visible light irradiation. Chemical Engineering Journal, 2013, 220: 228–236

[40] Chen H B, Yu X, Zhu Y, . 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

[41] Li J, Zhang L, Li Y, . Synthesis and internal electric field dependent photoreactivity of Bi₃O₄Cl single-crystalline nanosheets with high {001} facet exposure percentages. Nanoscale, 2014, 6(1): 167–171

[42] Lei Y Q, Wang G H, Song S Y, . Synthesis, characterization and assembly of BiOCl nanostructure and their photocatalytic properties. CrystEngComm, 2009, 11(9): 1857–1862

[43] Liu Y, Son W J, Lu J, . Composition dependence of the photocatalytic activities of BiOCl_1−xBr_x solid solutions under visible light. Chemistry, 2011, 17(34): 9342–9349

[44] Li H, Shi J, Zhao K, . Sustainable molecular oxygen activation with oxygen vacancies on the 001 facets of BiOCl nanosheets under solar light. Nanoscale, 2014, 6(23): 14168–14173

[45] Feng H, Xu Z, Wang L, . Modulation of photocatalytic properties by strain in 2D BiOBr nanosheets. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(50): 27592–27596

[46] Xu H Y, Wu L C, Jin L G, . 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

[47] Li J, Li H, Zhan G, . Solar water splitting and nitrogen fixation with layered bismuth oxyhalides. Accounts of Chemical Research, 2017, 50(1): 112–121

[48] Xiong J Y, Cheng G, Li G F, . 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

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

[50] Zhao J L, Lv X W, Wang X X, . Fabrication of BiOX (X= Cl, Br, and I) nanosheeted films by anodization and their photocatalytic properties. Materials Letters, 2015, 158: 40–44

[51] Jia M, Hu X, Wang S, . Photocatalytic properties of hierarchical BiOXs obtained via an ethanol-assisted solvothermal process. Journal of Environmental Sciences, 2015, 35(9): 172–180

[52] Zhang Y Y, Sun X G, Yang G Z, . Preparation and characterization of bifunctional BiOCl_xI_y solid solutions with excellent adsorption and photocatalytic abilities for removal of organic dyes. Materials Science in Semiconductor Processing, 2016, 41: 193–199

[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

[54] Shang J, Hao W C, Lv X J, . Bismuth oxybromide with reasonable photocatalytic reduction activity under visible light. ACS Catalysis, 2014, 4(3): 954–961

[55] Tian F, Zhao H P, Dai Z, . 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

Acknowledgements

We express our great appreciation for the financial support of the Program for New Century Excellent Talents in Heilongjiang Provincial Universities (1253-NCET-010).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg