Environmentally benign chitosan as reductant and supporter for synthesis of Ag/AgCl/chitosan composites by one-step and their photocatalytic degradation performance under visible-light irradiation

Abstract

A novel Ag/AgCl/chitosan composite photocatalyst was successfully prepared by a simple one-step method. During this progress, environmentally benign chitosan not only served as reductant to reduce Ag⁺ to Ag⁰ species, but also acted as supporter for Ag/AgCl nanoparticles. XRD, SEM, EDX, UV-vis DRS and XPS were employed to characterize the as-prepared simples. SEM images of Ag/AgCl/chitosan composites revealed that Ag/AgCl nanoparticles were successfully loaded onto chitosan without obvious aggregation. All Ag/AgCl/chitosan composites exhibited efficient photocatalytic activity for the degradation of rhodamine B (RhB) under visible-light irradiation. The result of photocatalytic degradation experiment indicated that 20% of the mass ratio of AgCl to chitosan was the optimum, and after 40 min photocatalytic reaction, the degradation rate reached about 96%.

Keywords

Ag/AgCl / surface plasmon resonance / one-step / chitosan / photocatalysis

References

[1] Sun L, Zhang  R, Wang Y , . Plasmonic Ag@AgCl nanotubes fabricated from copper nanowires as high-performance visible light photocatalyst. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(17): 14819–14826

[2] Li W, Ma  Z, Bai G , . Dopamine-assisted one-step fabrication of Ag@AgCl nanophotocatalyst with tunable morphology, composition and improved photocatalytic performance. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 174–175: 43–48

[3] An C, Ming  X, Wang J , . Construction of magnetic visible-light-driven plasmonic Fe₃O₄@SiO₂@AgCl:Ag nanophotocatalyst. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(11): 5171–5176

[4] Zhang S, Fan  Q, Gao H , . Formation of Fe₃O₄@MnO₂ ball-in-ball hollow spheres as a high performance catalyst for enhanced catalytic performances. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2016, 4(4): 1414–1422

[5] Huang H, Li  X, Wang J , . Anionic group self-doping as a promising strategy: band-gap engineering and multi-functional applications of high-performance CO₃²⁻-doped Bi₂O₂CO₃. ACS Catalysis, 2015, 5(7): 4094–4103

[6] Tian B, Dong  R, Zhang J , . Sandwich-structured AgCl@Ag@TiO₂ with excellent visible-light photocatalytic activity for organic pollutant degradation and E. coli K₁₂ inactivation. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 158–159: 76–84

[7] Zhang S, Li  J, Wang X , . In situ ion exchange synthesis of strongly coupled Ag@AgCl/g-C₃N₄ porous nanosheets as plasmonic photocatalyst for highly efficient visible-light photocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(24): 22116–22125

[8] Shu J, Wang  Z, Xia G , . One-pot synthesis of AgCl@Ag hybrid photocatalyst with high photocatalytic activity and photostability under visible light and sunlight irradiation. Chemical Engineering Journal, 2014, 252: 374–381

[9] Shi H, Chen  J, Li G , . Synthesis and characterization of novel plasmonic Ag/AgX–CNTs (X= Cl, Br, I) nanocomposite photocatalysts and synergetic degradation of organic pollutant under visible light. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(15): 6959–6967

[10] Jia C, Yang  P, Huang B . Uniform Ag/AgCl necklace-like nano-heterostructures: fabrication and highly efficient plasmonic photocatalysis. ChemCatChem, 2014, 6(2): 611–617

[11] Sun L, Wang  Y, Chen W . Synthesis of novel CaCO₃/Ag₂CO₃/AgI/Ag plasmonic photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic activity. Science China: Technological Sciences, 2015, 58(11): 1864–1870

[12] Gao S T, Liu  W H, Shang  N Z, . Integration of a plasmonic semiconductor with a metal-organic framework: a case of Ag/AgCl@ZIF-8 with enhanced visible light photocatalytic activity. RSC Advances, 2014, 4(106): 61736–61742

[13] Sohrabnezhad Sh, Zanjanchi  M A, Razavi  M. Plasmon-assisted degradation of methylene blue with Ag/AgCl/montmorillonite nanocomposite  under visible  light. Spectrochimica  Acta  Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014, 130: 129–135

[14] Yu H, Miller  C J, Ikeda-Ohno  A, . Photodegradation of contaminants using Ag@AgCl/rGO assemblages: possibilities and limitations. Catalysis Today, 2014, 224: 122–131

[15] Hu C, Peng  T, Hu X , . Plasmon-induced photodegradation of toxic pollutants with Ag–AgI/Al₂O₃ under visible-light irradiation. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(2): 857–862

[16] Zhou X, Hu  C, Hu X , . Plasmon-assisted degradation of toxic pollutants with Ag–AgBr/Al₂O₃ under visible-light irradiation. The Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(6): 2746–2750

[17] Zhu H, Jiang  R, Fu Y , . Effective photocatalytic decolorization of methyl orange utilizing TiO₂/ZnO/chitosan nanocomposite films under simulated solar irradiation. Desalination, 2012, 286: 41–48

[18] Wan Ngah W S ,  Teong L C ,  Hanafiah M A K M . Adsorption of dyes and heavy metal ions by chitosan composites: A review. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(4): 1446–1456

[19] Kumar P S, Selvakumar  M, Babu S G , . Novel CuO/chitosan nanocomposite thin film: facile hand-picking recoverable, efficient and reusable heterogeneous photocatalyst. RSC Advances, 2015, 5(71): 57493–57501

[20] Zhu H, Jiang  R, Xiao L , . Photocatalytic decolorization and degradation of Congo Red on innovative crosslinked chitosan/nano-CdS composite catalyst under visible light irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2009, 169(1–3): 933–940

[21] Cao C, Xiao  L, Liu L , . Visible-light photocatalytic decolorization of reactive brilliant red X-3B on Cu₂O/crosslinked-chitosan nanocomposites prepared via one step process. Applied Surface Science, 2013, 271: 105–112

[22] Mansur A A P ,  Mansur H S ,  Ramanery F P , . “Green” colloidal ZnS quantum dots/chitosan nano-photocatalysts for advanced oxidation processes: Study of the photodegradation of organic dye pollutants. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 158–159: 269–279

[23] Wei D, Qian  W. Facile synthesis of Ag and Au nanoparticles utilizing chitosan as a mediator agent. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2008, 62(1): 136–142

[24] Wei D, Ye  Y, Jia X , . Chitosan as an active support for assembly of metal nanoparticles and application of the resultant bioconjugates in catalysis. Carbohydrate Research, 2010, 345(1): 74–81

[25] Wu Y, Wang  Z, Chen S , . One-step hydrothermal synthesis of silver nanoparticles loaded on N-doped carbon and application for catalytic reduction of 4-nitrophenol. RSC Advances, 2015, 5(106): 87151–87156

[26] Xu Y, Xu  H, Yan J , . A novel visible-light-response plasmonic photocatalyst CNT/Ag/AgBr and its photocatalytic properties. Physical  Chemistry  Chemical  Physics,  2013,  15(16): 5821–5830

[27] Min Y L, He  G Q, Xu  Q J, . Self-assembled encapsulation of graphene oxide/Ag@AgCl as a Z-scheme photocatalytic system for pollutant removal. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(5): 1294–1301

[28] Yang Y, Zhang  G. Preparation and photocatalytic properties of visible light driven Ag–AgBr/attapulgite nanocomposite. Applied Clay Science, 2012, 67–68: 11–17

[29] Sun J, Zhang  Y, Cheng J , . Synthesis of Ag/AgCl/Zn–Cr LDHs composite with enhanced visible-light photocatalytic performance. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2014, 382: 146–153

[30] Zhu H, Xiao  L, Jiang R , . Efficient decolorization of azo dye solution by visible light-induced photocatalytic process using SnO₂/ZnO heterojunction immobilized in chitosan matrix. Chemical Engineering Journal, 2011, 172(2–3): 746–753 

[31] Zhang S, Li  J, Wang X , . Rationally designed 1D Ag@AgVO₃ nanowire/graphene/protonated g-C₃N₄ nanosheet heterojunctions for enhanced photocatalysis via electrostatic self-assembly and photochemical reduction methods. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(18): 10119–10126

[32] Wu Y, Chen  S, Guo X , . Environmentally benign chitosan as precursor and reductant for synthesis of Ag/AgCl/N-doped carbon composite photocatalysts and their photocatalytic degradation performance. Research on Chemical Intermediates, 2016, doi:10.1007/s11164-016-2835-x (14 pages)

[33] Shen C C, Zhu  Q, Zhao Z W , . Plasmon enhanced visible light photocatalytic activity of ternary Ag₂Mo₂O₇@AgBr–Ag rod-like heterostructures. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(28): 14661–14668

[34] Wu S Z, Li  K, Zhang W D . On the heterostructured photocatalysts Ag₃VO₄/g-C₃N₄ with enhanced visible light photocatalytic activity. Applied Surface Science, 2015, 324: 324–331

[35] Ye L, Liu  J, Gong C , . Two different roles of metallic Ag on Ag/AgX/BiOX (X= Cl, Br) visible light photocatalysts: surface plasmon resonance and Z-scheme bridge. ACS Catalysis, 2012, 2(8): 1677–1683

[36] Liang Y, Lin  S, Hu J , . Facile hydrothermal synthesis of nanocomposite Ag@AgCl/K₂Ti₄O₉ and photocatalytic degradation under visible light irradiation. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2014, 383–384: 231–238

[37] Wang Y, Niu  C, Wang L , . Synthesis of fern-like Ag/AgCl/CaTiO₃ plasmonic photocatalysts and their enhanced visible-light photocatalytic properties. RSC Advances, 2016, 6(53): 47873–47882

[38] Hu P, Hu  X, Chen C , . Biomaterial-assisted synthesis of AgCl@Ag concave cubes with efficient visible-light-driven photocatalytic activity. CrystEngComm, 2014, 16(4): 649–653

[39] An C, Peng  S, Sun Y . Facile synthesis of sunlight-driven AgCl:Ag plasmonic nanophotocatalyst. Advanced Materials, 2010, 22(23): 2570–2574

[40] Xue J, Ma  S, Zhou Y , . Facile synthesis of Ag₂O/N-doped helical carbon nanotubes with enhanced visible-light photocatalytic activity. RSC Advances, 2015, 5(5): 3122–3129

[41] Ma J, Zou  J, Li L , . Synthesis and characterization of Ag₃PO₄ immobilized in bentonite for the sunlight-driven degradation of Orange II. Applied Catalysis B: Environmental, 2013, 134–135: 1–6

[42] Wang P, Huang  B, Qin X , . Ag@AgCl: a highly efficient and stable photocatalyst active under visible light. Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(41): 7931–7933

[43] Han C, Ge  L, Chen C , . Site-selected synthesis of novel Ag@AgCl nanoframes with efficient visible light induced photocatalytic activity. Journal of Materials Chemistry, 2014, 2(31): 12594–12600

[44] McEvoy J G, Cui  W, Zhang Z , . Synthesis and characterization of Ag/AgCl–activated carbon composites for enhanced visible light photocatalysis. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 144(2): 702–712

[45] Zhang Z, Zhai  S, Wang M , . Photocatalytic degradation of rhodamine B by using a nanocomposite of cuprous oxide, three-dimensional reduced graphene oxide, and nanochitosan prepared via one-pot synthesis. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 659: 101–111

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg