Improved photocatalytic degradation of organic dye using Ag₃PO₄/MoS₂ nanocomposite

Abstract

Highly efficient Ag₃PO₄/MoS₂ nanocomposite photocatalyst was synthesized using a wet chemical route with a low weight percentage of highly exfoliated MoS₂ (0.1 wt.%) and monodispersed Ag₃PO₄ nanoparticles (~5.4 nm). The structural and optical properties of the nanocomposite were studied using various characterization techniques, such as XRD, TEM, Raman and absorption spectroscopy. The composite exhibits markedly enhanced photocatalytic activity with a low lamp power (60 W). Using this composite, a high kinetic rate constant (k) value of 0.244 min⁻¹ was found. It was observed that ~97.6% of dye degrade over the surface of nanocomposite catalyst within 15 min of illumination. The improved photocatalytic activity of Ag₃PO₄/MoS₂ nanocomposite is attributed to the efficient interfacial charge separation, which was supported by the PL results. Large surface area of MoS₂ nanosheets incorporated with well dispersed Ag₃PO₄ nanoparticles further increases charge separation, contributing to enhanced degradation efficiency. A possible mechanism for charge separation is also discussed.

Keywords

Ag₃PO₄/MoS₂ nanocomposite / methylene blue / degradation efficiency / photocatalysis

References

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

[2] Ming H, Ma  Z, Huang H , . Nanoporous TiO₂ spheres with narrow pore size distribution and improved visible light photocatalytic abilities. Chemical Communications, 2011, 47(28): 8025–8027

[3] Singh S, Barick  K C, Bahadur  D. Fe₃O₄ embedded ZnO nanocomposites for the removal of toxic metal ions, organic dyes and bacterial pathogens. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(10): 3325–3333

[4] Sutanto H, Wibowo  S, Nurhasanah I , . Ag doped ZnO thin films synthesized by spray coating technique for methylene blue photodegradation under UV irradiation. International Journal of Chemical Engineering, 2016: 6195326 (6 pages) doi: 10.1155/2016/6195326

[5] Bajaj R, Sharma  M, Bahadur D . Visible light-driven novel nanocomposite (BiVO₄/CuCr₂O₄) for efficient degradation of organic dye. Dalton Transactions, 2013, 42(19): 6736–6744

[6] Yi Z, Ye  J, Kikugawa N , . An orthophosphate semiconductor with photooxidation properties under visible-light irradiation. Nature Materials, 2010, 9(7): 559–564

[7] Bi Y, Ouyang  S, Umezawa N , . Facet effect of single-crystalline Ag₃PO₄ sub-microcrystals on photocatalytic properties. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(17): 6490–6492

[8] Dinh C T, Nguyen  T D, Kleitz  F, . Large-scale synthesis of uniform silver orthophosphate colloidal nanocrystals exhibiting high visible light photocatalytic activity. Chemical Communications, 2011, 47(27): 7797–7799

[9] Thiyagarajan S, Singh  S, Bahadur D . Reusable sunlight activated photocatalyst Ag₃PO₄ and its significant antibacterial activity. Materials Chemistry and Physics, 2016, 173: 385–394

[10] Yang X F, Cui  H Y, Li  Y, . Fabrication of Ag₃PO₄‒graphene composites with highly efficient and stable visible light photocatalytic performance. ACS Catalysis, 2013, 3(3): 363–369

[11] Yang Z M, Huang  G F, Huang  W Q, . Novel Ag₃PO₄/CeO₂ composite with high efficiency and stability for photocatalytic applications. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(6): 1750–1756

[12] Li C, Zhang  P, Lv R , . Selective deposition of Ag₃PO₄ on monoclinic BiVO₄(040) for highly efficient photocatalysis. Small, 2013, 9(23): 3951–3956, 3950

[13] Wang P, Huang  B, Dai Y , . Plasmonic photocatalysts: harvesting visible light with noble metal nanoparticles. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(28): 9813–9825

[14] Zhu T T, Huang  L Y, Song  Y H, . Modification of Ag₃VO₄ with graphene-like MoS₂ for enhanced visible-light photocatalytic property and stability. New Journal of Chemistry, 2016, 40(3): 2168–2177

[15] Hongjian Y, Yong  Y, Jianghao L , . Space-confined growth of Ag₃PO₄ nanoparticles within WS₂ sheets: Ag₃PO₄/WS₂ composites as visible-light-driven photocatalysts for decomposing dyes. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(38): 19439–19444

[16] Zheng X, Xu  J, Yan K , . Space-confined growth of MoS₂ nanosheets within graphite: the layered hybrid of MoS₂ and graphene as an active catalyst for hydrogen evolution reaction. Chemistry of Materials, 2014, 26(7): 2344–2353

[17] Ge L, Han  C C, Xiao  X L, . Synthesis and characterization of composite visible light active photocatalysts MoS₂‒g-C₃N₄ with enhanced hydrogen evolution activity. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(17): 6960–6969

[18] Zong X, Yan  H, Wu G , . Enhancement of photocatalytic H₂ evolution on CdS by loading MoS₂ as cocatalyst under visible light irradiation. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(23): 7176–7177

[19] Gao Q, Giordano  C, Antonietti M . Biomimetic oxygen activation by MoS₂/Ta₃N₅ nanocomposites for selective aerobic oxidation. Angewandte Chemie, 2012, 51(47): 11740–11744

[20] Wang L, Chai  Y, Ren J , . Ag₃PO₄ nanoparticles loaded on 3D flower-like spherical MoS₂: a highly efficient hierarchical heterojunction photocatalyst. Dalton Transactions, 2015, 44(33): 14625–14634

[21] Shao N, Wang  J, Wang D , . Preparation of three-dimensional Ag₃PO₄/TiO₂@MoS₂ for enhanced visible-light photocatalytic activity and anti-photocorrosion. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 203: 964–978

[22] Gyawali G, Lee  S W. Microwave hydrothermal synthesis and characterization of Ag₃PO₄/MoS₂ composite photocatalyst. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2016, 16(11): 11158–11163

[23] Zhu C, Zhang  L, Jiang B , . Fabrication of Z-scheme Ag₃PO₄/MoS₂ composites with enhanced photocatalytic activity and stability for organic pollutant degradation. Applied Surface Science, 2016, 377: 99–108

[24] Wang P, Shi  P, Hong Y , . Facile deposition of Ag₃PO₄ on graphene-like MoS₂ nanosheets for highly efficient photocatalysis. Materials Research Bulletin, 2015, 62: 24–29

[25] Song Y, Lei  Y, Xu H , . Synthesis of few-layer MoS₂ nanosheet-loaded Ag₃PO₄ for enhanced photocatalytic activity. Dalton Transactions, 2015, 44(7): 3057–3066

[26] Wan J, Du  X, Liu E , . Z-scheme visible-light-driven Ag₃PO₄ nanoparticle@MoS₂ quantum dot/few-layered MoS₂ nanosheet heterostructures with high efficiency and stability for photocatalytic selective oxidation. Journal of Catalysis, 2017, 345: 281–294

[27] Guo N, Li  H, Xu X , . Hierarchical Fe₃O₄@MoS₂/Ag₃PO₄ magnetic nanocomposites: Enhanced and stable photocatalytic performance for water purification under visible light irradiation. Applied Surface Science, 2016, 389: 227–239

[28] Peng W C, Wang  X, Li X Y . The synergetic effect of MoS₂ and graphene on Ag₃PO₄ for its ultra-enhanced photocatalytic activity in phenol degradation under visible light. Nanoscale, 2014, 6(14): 8311–8317

[29] Li S, Gu  X, Zhao Y , . Enhanced visible-light photocatalytic activity and stability by incorporating a small amount of MoS₂ into Ag₃PO₄ microcrystals. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2016, 27(1): 386–392

[30] Zheng J, Zhang  H, Dong S , . High yield exfoliation of two-dimensional chalcogenides using sodium naphthalenide. Nature Communications, 2014, 5: 2995

[31] Eda G, Yamaguchi  H, Voiry D , . Photoluminescence from chemically exfoliated MoS₂. Nano Letters, 2011, 11(12): 5111–5116

[32] Cheng P, Sun  K, Hu Y H . Mechanically-induced reverse phase transformation of MoS₂ from stable 2H to metastable 1T and its memristive behavior. RSC Advances, 2016, 6(70): 65691–65697

[33] Zhang H C, Huang  H, Ming H , . Carbon quantum dots/Ag₃PO₄ complex photocatalysts with enhanced photocatalytic activity and stability under visible light. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(21): 10501–10506

[34] Li X, Li  J H, Wang  K, . Pressure and temperature-dependent Raman spectra of MoS₂ film. Applied Physics Letters, 2016, 109(24): 242101

[35] Frost R L, Musumeci  A W, Kloprogge  J T, . Raman spectroscopy of hydrotalcites with phosphate in the interlayer: implications for the removal of phosphate from water. Journal of Raman Spectroscopy, 2006, 37(7): 733–741

[36] Lopez-Bote M A ,  Montero S . Raman intensities, vibrational eigenvectors, electro-optical parameters and force constants of SO₄²⁻, ClO₄⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻ and NO₃⁻ anions in polycrystalline samples. Journal of Raman Spectroscopy, 1980, 9(6): 386–392

[37] Lee C, Yan  H, Brus L E , . Anomalous lattice vibrations of single- and few-layer MoS₂. ACS Nano, 2010, 4(5): 2695–2700

[38] Pagona G, Bittencourt  C, Arenal R , . Exfoliated semiconducting pure 2H-MoS₂ and 2H-WS₂ assisted by chlorosulfonic acid. Chemical Communications, 2015, 51(65): 12950–12953 doi:10.1039/C5CC04689K

[39] Jiang B, Wang  Y, Wang J Q , . In situ fabrication of Ag/Ag₃PO₄/graphene triple heterostructure visible-light photocatalyst through graphene-assisted reduction strategy. ChemCatChem, 2013, 5(6): 1359–1367

[40] Xiang Q, Yu  J, Jaroniec M . Enhanced photocatalytic H₂-production activity of graphene-modified titania nanosheets. Nanoscale, 2011, 3(9): 3670–3678

[41] Yan Y H, Guan  H Y, Liu  S, . Ag₃PO₄/Fe₂O₃ composite photocatalysts with an n-n heterojunction semiconductor structure under visible-light irradiation. Ceramics International, 2014, 40(7): 9095–9100

[42] Liu J J, Fu  X L, Chen  S F, . Electronic structure and optical properties of Ag₃PO₄ photocatalyst calculated by hybrid density functional method. Applied Physics Letters, 2011, 99(19): 191903 (3 pages) 

[43] Liang Q, Shi  Y, Ma W , . Enhanced photocatalytic activity and structural stability by hybridizing Ag₃PO₄ nanospheres with graphene oxide sheets. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(45): 15657–15665

[44] Zhai H S, Yan  T J, Wang  P, . Effect of chemical etching by ammonia solution on the microstructure and photocatalytic activity of Ag₃PO₄ photocatalyst. Applied Catalysis A: General, 2016, 528: 104–112

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge nanomission DST, WOS-A DST, Government of India for financial support and CRNTS, IIT Bombay for providing us HRTEM, HRSEM and Raman facilities.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany