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

Acknowledgements

This work was supported financially by funding from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21367022 and 51662036) and Bingtuan Innovation Team in Key Areas (2015BD003).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg