이 논문은 Au@TiO2의 새로운 유형의 합성을 보고합니다. 이온 스퍼터링 방법을 원자층 증착(ALD) 기술과 통합하고 가시광 구동 광촉매 및 표면 강화 라만 분광법(SERS) 기판으로서의 응용을 통해 난황-쉘 나노 구조. TiO2에 갇힌 금 나노입자의 크기와 양 나노튜브는 스퍼터링 시간을 적절하게 조정하여 쉽게 제어할 수 있습니다. 결과 Au@TiO2의 독특한 구조와 형태 다양한 분광 및 현미경 기술을 사용하여 샘플을 자세히 조사했습니다. 테스트된 모든 샘플은 금 나노 입자의 크기에 의해 결정되는 국부적 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 파장(550–590nm)에서 최대 흡수로 가시광선을 흡수할 수 있는 것으로 나타났습니다. Au@TiO2 난황-쉘 합성물은 메틸렌 블루(MB)의 분해를 위한 광촉매로 사용되었습니다. 순수 TiO2에 비해 나노튜브, Au@TiO2 복합 재료는 MB 분해에 대해 개선된 광촉매 특성을 나타냅니다. Au@TiO2의 SERS 효과 MB의 검출 감도를 조사하기 위해 난황-쉘 합성물도 수행되었습니다.
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배경
이종 금속/반도체 나노복합체는 독특한 물리화학적 특성과 태양 에너지 변환[1], 생물의학[2], 표면 강화 라만 산란[3], 발광 다이오드[4 ], 환경 개선 [5]. 다양한 응용에 동기를 부여하여 이러한 재료의 조성, 나노구조 및 치수를 설계하고 조정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다[6,7,8]. 예를 들어, Yin et al. [9]는 ZnO/Ag 및 ZnO/Pd 하이브리드 나노구조를 합성하고 ZnO에 Ag 또는 Pd의 증착이 ZnO의 광촉매 활성을 엄청나게 향상시킨다는 것을 발견했다. Sun et al. [10] Au-Fe3 O4 Au와 Fe 사이의 나노스케일 상호작용을 갖는 나노입자3 O4 다양한 자기, 물리적 및 화학적 특성을 나타냅니다.
최근 몇 년 동안 광촉매에 적용되는 금속/반도체의 제어 합성에서 상당한 발전이 이루어졌는데 이는 대기 오염[11, 12] 및 에너지 변환의 잠재적인 기술 응용[13]과 같은 점점 더 심각한 환경 문제로 인해 이루어졌습니다. 제안된 다양한 금속/반도체 복합재 중 TiO2 나노 Au는 이러한 헤테로 구조가 가시 스펙트럼 범위에서 강력한 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 갖고 새로운 종류의 광역 응답 광촉매로 만들기 때문에 가장 실용적입니다[14,15,16]. Au/TiO2의 또 다른 장점 나노복합체는 Au 나노입자가 전자 저장으로 작용하여 광여기된 전자-정공 쌍의 재결합을 효과적으로 감소시키고 결국 광촉매의 양자 수율을 증가시킨다는 것입니다[17, 18]. Au/TiO2에 기반한 몇 가지 혁신적인 조사 유기 염료의 분해, 태양수 분해 및 유기 화합물의 전환에 적용된 복합 시스템은 효율적인 가시광선 광촉매 기능을 입증했으며, 이는 Au/TiO에서 수행되는 Au의 플라즈몬 효과의 중요한 역할을 나타냅니다2 시스템 [17, 19, 20].
그러나 Au/TiO2의 주요 제한 사항 중 하나는 실제 응용으로 번역된 나노복합체는 지지된 금 촉매의 열악한 안정성입니다. 원래의 나노입자에 나타난 뛰어난 특성은 다양한 반응 조건에서 뭉쳐지고 더 큰 입자로 성장하는 경향이 있기 때문에 약화될 수 있습니다[21, 22]. 그리고 다른 경우에는 TiO2의 표면에 Au 나노입자가 증착되었음을 증명했습니다 촉매 반응 동안 부식 또는 용해를 겪을 가능성이 있습니다[23]. 코어-쉘 및 난황-쉘 구조의 복합 재료의 설계 및 구성은 이러한 문제를 해결하는 효과적인 방법으로 간주됩니다. Gong et al. [24] gold nanorod@TiO2의 제작 보고 종자 매개 방법을 통해 금 나노로드의 종횡비가 다른 난황-쉘 촉매. 다성분 하이브리드 나노복합체는 또한 벤질 알코올의 산화 반응에서 향상된 광촉매 활성을 나타냅니다. Zaera와 동료 [21]는 새로운 Au@TiO2의 합성 및 특성화에 대해 보고했습니다. 보다 일반적인 Au/TiO2에서 관찰된 것과 유사한 촉진 활성을 나타내는 난황-쉘-나노구조 촉매 촉매이지만 소결에 대한 안정성이 향상되었습니다. Kim et al. [25] Au-TiO2로 구성된 합성된 코어-쉘 플라즈몬 나노구조 SiO2에서 지원됨 ~ 14%의 관찰 가능하게 향상된 전력 변환 효율을 나타내는 염료 감응 태양 전지(DSSC)의 구체. 엄청난 연구 노력에도 불구하고 Au@TiO2의 손쉬운 합성 코어-쉘/노른자-쉘 구조가 잘 정의된 복합 재료는 여전히 대량 적용에 대한 과제로 남아 있습니다.
최근 많은 연구에서 다중나선 키랄 나노구조가 미시적 규모에서 유도 복굴절을 발생시키고 거시적 규모에서 유도된 전기장에 의해 발생하는 커 효과를 생성할 수 있기 때문에 나노 규모에서 제어된 키랄성이 더 큰 LSPR 효과를 유도할 수 있음을 확인했습니다[26, 27,28]. 이 연구에서 Au@TiO2 나선형 섬유와 같은 구조를 가진 난황-쉘 나노복합체는 제어 가능하고 손쉬운 전략에 의해 성공적으로 합성되었습니다. 탄소 나노 코일(CNC)의 표면에 로딩된 금 나노 입자는 이온 스퍼터링에 의해 생성되었습니다. TiO2 ALD(Atomic Layer Deposition) 기술을 통해 매우 균일하고 제어된 두께의 필름을 금 나노입자 표면에 안정적으로 통합할 수 있습니다. 어닐링 단계가 뒤따르는 Au@TiO2 나노복합체를 얻었다. 위에서 개발한 방법을 확장하여 다른 금속(Pt, Ag)@TiO2도 제작할 수 있습니다. 나선형 나노구조를 가진 난황-쉘 나노복합체. 대표적인 광촉매로 얻어진 Au@TiO2의 광촉매 활성 나노복합체는 가시광선 조사에서 메틸렌 블루(MB)의 분해에 의해 평가되었습니다. 또한 Au@TiO2의 표면 강화 라만 분광법(SERS) 활동 나노복합체도 MB 검출을 통해 조사되었습니다.
실험
Au@TiO2 합성
템플릿으로 사용된 CNC는 이전에 보고된 바와 같이 화학 기상 증착 방법으로 준비되었습니다. 간단히 말해서, 아세틸렌 및 구리 나노입자를 탄소원 및 적절한 촉매로 각각 사용하였다. CNC의 성장은 수평 석영 튜브에서 대기압에서 수행되었습니다. 구리 촉매를 포함하는 세라믹 플레이트를 반응기에 넣었다. 튜브를 진공에서 250°C로 가열한 후 아세틸렌을 반응기에 도입했습니다[29,30,31]. 장치를 실온으로 냉각시킨 후, 준비된 CNC를 얻었다.
얻어진 CNC를 초음파 교반 하에 에탄올에 분산시킨 다음 유리 슬라이드 표면에 균일하게 도포하였다. 대기 중에서 건조시킨 후, 이온 스퍼터링 기구(Hitachi, E-1010)로 Au 층을 증착시켰다. Au 필름의 크기와 두께는 방전 전류와 스퍼터링 시간에 의해 결정되었습니다. 이 단계에서 방전 전류는 10mA이고 스퍼터링 시간은 30초에서 120초까지 다양했습니다. 얻은 샘플은 CNCs@Au-x로 표시되었습니다. , 여기서 x 스퍼터링 시간(초)을 나타냅니다. 이어서, 샘플을 초음파 교반에 의해 에탄올에 분산시킨 다음 TiO2로 코팅하기 위해 석영 웨이퍼에 펴십시오. ALD 공정으로 ALD는 기상 코팅 준비 기술의 일종으로 정확한 두께 제어와 우수한 필름 균일성을 달성할 수 있습니다[32,33,34,35,36]. ALD 공정은 TTIP(티타늄 테트라이소프로판올레이트) 및 탈이온화된 H2를 사용하여 145°C의 고온벽, 유동형 ALD 반응기에서 수행되었습니다. O는 각각 티타늄 및 산소 전구체로 사용됩니다. 마지막으로, ALD 공정 후, 상기 코팅된 나노코일은 탄소 코어와 나선형 TiO2를 제거하기 위해 대기압에서 450°C에서 2시간 동안 소성되었습니다. -코팅된 Au 요크-쉘 구조가 얻어졌습니다. 비교를 위해 순수 TiO2 나선형 튜브도 소성된 TiO2에 의해 수집되었습니다. - 스퍼터링 Au가 없는 코팅된 CNC이며 TiO2로 표시됩니다. 다음 토론에서.
재료 특성화
X선 회절(XRD) 패턴은 구리 Kα(λ =0.154056nm) 방사선 소스. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 Hitachi S-4800 현미경으로 획득했습니다. 투과 전자 현미경(TEM), 선택 영역 전자 회절(SAED) 및 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지는 200kV에서 작동하는 JEOL JEM-2100 현미경 기기를 사용하여 얻었습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 데이터는 단색 Al Kα(1486.6 eV) 소스가 있는 PHI5000 Versaprobe-II 분광기를 사용하여 획득했습니다. PerkinElmer Lambda 750s UV-Vis-NIR 흡수 분광 광도계를 사용하여 광학 흡수 스펙트럼을 기록했습니다. 라만 산란 스펙트럼은 Renishaw Invia Reflex 레이저 라만 분광계에서 기록되었습니다. 여기 파장은 유효 전력이 2mW인 공랭식 아르곤 이온 레이저에서 514nm였습니다.
광촉매 활동 평가
촉매의 광촉매 활성은 다음과 같은 절차를 사용하여 수용액에서 MB 염료의 광분해에 의해 조사되었습니다. 2mg의 촉매를 순환 냉각수 파이프가 장착된 100mL 광반응기에 균일하게 퍼뜨렸습니다. 그런 다음 20mL의 0.01mg/mL MB 용액을 광반응기에 첨가했습니다. 광조사 전에 시스템을 2분 동안 초음파로 혼합하고, 광촉매와 MB 사이의 흡착-탈착의 균형을 맞추기 위해 어두운 곳에서 양방향 자기 교반을 30분 동안 수행했습니다. 그런 다음 현탁액을 포함하는 상기 100mL 광반응기를 차단 필터가 있는 300W 크세논 램프(Beijing Perfectlight Technology Co. Ltd., PLS-SXE300C)에서 조사하여 420~780nm 사이의 빛 파장이 용액에 도달하도록 했습니다. 광촉매 반응 과정에서 조사 강도는 ~ 154 mW cm
-2
였습니다. 냉각수는 시스템의 열 효과를 없애기 위해 계속 흐르도록 했습니다. 총 90분 동안 매 10분 간격으로 현탁액의 일부(1mL)를 피펫팅하여 즉시 3mL로 희석하고 원심 분리 후 상층액 2mL를 수집했습니다. 결국, 용액의 특성 파장(λMB =664nm).
결과 및 토론
형태 및 위상 구조 분석
그림 1a는 Au@TiO2의 개략적인 준비 흐름을 보여줍니다. Au 스퍼터링, TiO2를 포함한 난황-쉘 이종 구조 코팅 및 하소 공정. 그림 1b–e는 위의 모든 절차에 해당하는 일반적인 TEM 이미지를 보여줍니다. 이 작업에서 시작 템플릿으로 사용된 CNC는 섬유 직경, 코일 직경 및 코일 피치가 균일하고 섬유의 평균 직경은 약 80nm입니다(추가 파일 1:그림 S1). Au 스퍼터링 처리 후 CNC의 외부 층은 그림 1c와 같이 수많은 균일한 Au 나노 입자로 코팅되었습니다. 그림 1d의 TEM 이미지에서 볼 수 있듯이 TiO2에 대해 200 ALD 주기를 적용하여 증착, 균일한 TiO2 Au/CNC의 표면에 약 8nm 두께의 코팅이 코팅됩니다. 일반적으로 TiO2의 아나타제 단계는 루틸보다 광촉매 성능이 훨씬 우수합니다[37, 38]. 이러한 이유로 탄소 코어를 제거하고 최종 Au@TiO2를 얻기 위한 적절한 하소 온도로 450°C를 선택했습니다. 노른자 - 껍질 구조. 그림 1e에 표시된 것처럼 TiO2 캡슐화된 Au 나노입자와 자유 공간을 가진 나노튜브가 형성되었습니다. 모든 처리 단계 후에 시작 CNC의 우아한 나선형 형태가 잘 유지될 수 있습니다.
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아 Au-x@TiO2 합성 과정의 개략도 . ㄴ –이 형태학적 진화를 보여주는 TEM 이미지
모든 샘플의 결정도 및 구조는 XRD로 측정되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 순수한 TiO2의 회절 피크 샘플은 추가 불순물 피크 없이 잘 결정화된 아나타제 상(JCPDS 21-1272)에 기인할 수 있습니다. Au/TiO2용 , 그림 2b–e의 추가 회절 피크는 이온 스퍼터링에 의해 CNC 표면에 Au 나노 입자가 성공적으로 코팅된 면심 입방체(FCC) Au(JCPDS 01-1174)로 잘 인덱싱될 수 있습니다. TiO2 38.2°의 (004) 피크는 38.3°의 Au(111) 피크와 크게 겹칩니다. 그림 2b–e에서 35.5도에 위치한 약한 피크가 γ의 (020) 평면에 인덱스될 수 있다는 것이 흥미롭습니다. -Ti3 O5 , Ti/O 원자 비율이 Au/TiO2에 대해 정확히 1/2이 아님을 나타냅니다. . 현재 연구에서 고온에서 탄소 섬유와 Au 나노 입자의 강한 환원 작용은 티타늄의 산소 결손 생성과 낮은 산화 상태를 유도할 가능성이 있습니다. 또한 TiO2의 상대적 함량 감소로 인해 , 모든 TiO2 회절 피크는 스퍼터링 시간이 30초에서 120초로 증가함에 따라 약해집니다.
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XRD 패턴. TiO2 . b Au-30@TiO2 . c Au-50@TiO2 . d Au-80@TiO2 . e Au-120@TiO2
그림 3은 TiO2의 TEM 이미지를 보여줍니다. 및 Au-x@TiO2 다른 Au 스퍼터링 시간(x 스퍼터링 시간을 의미합니다. x =30, 50, 80, 120). TiO2의 경우 , 샘플이 CNC 템플릿과 유사한 나선형 관형 구조를 표시하는 것을 관찰할 수 있습니다. 탄소 코어를 제거하기 위한 어닐링 과정에서 쉘 재료의 붕괴가 발생하지 않았습니다. TiO2 셸은 200주기 후에 약 8nm 두께입니다. Au@TiO2에서 Ti보다 Au의 원자 번호가 더 크기 때문에 , Au 나노 입자는 더 어두운 대비를 보여 명확하게 보이는 노른자 껍질 형태를 나타냅니다. Au 나노 입자의 평균 직경은 스퍼터링 시간이 증가함에 따라 분명히 증가합니다. 이는 각각 30, 50, 80, 120초의 스퍼터링 시간에 해당하는 약 4.5, 5.5, 10.5, 20.5nm에 해당합니다(추가 파일 1:그림 S2, a2-d2). 그림 3b-d와 같이 균일한 TiO2 Au-30@TiO2에 대해서도 약 8nm 두께의 박막이 얻어집니다. , Au-50@TiO2, 및 Au-80@TiO2 동일한 ALD TiO2를 갖는 나노복합체 침적. 그러나 TiO2의 두께 Au-120@TiO2용 쉘 약 5nm로 감소합니다(그림 3e). 이는 Au 나노 입자의 큰 크기와 상당한 덩어리의 영향에 기인할 수 있습니다.
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TEM 이미지. 아 TiO2 . ㄴ Au-30@TiO2 . ㄷ Au-50@TiO2 . d Au-80@TiO2 . 이 Au-120@TiO2
TiO2의 상세한 현미경 구조 및 Au-30@TiO2 나노 조성물은 HRTEM에 의해 추가로 조사되었습니다. 그림 4a-b에서 볼 수 있듯이 두 TiO2 껍질과 Au 나노 입자는 잘 결정화되어 아나타제 TiO2에 할당됩니다. (101)(0.3565 및 0.3501nm) 및 Au(111)(0.2399nm) 결정 격자. Au/TiO2의 인터페이스는 난황-쉘 나노구조는 대비가 다르기 때문에 명확하게 보입니다(그림 4b). 이러한 풍부한 인터페이스는 Au 나노 입자에서 TiO2로의 뜨거운 전자 수송에 대한 액세스를 제공할 수 있으므로 다음 광촉매 응용 분야에 중요합니다. LSPR 여기 시 [20]. 그림 4b의 삽입은 Au-30@TiO2에 기록된 SAED 패턴을 표시합니다. 나노구조. 투명한 회절 고리는 (101) 및 (211) 아나타제 TiO2의 결정면에 기인할 수 있습니다. 및 (220) 및 (111) Au의 결정 평면은 각각 XRD 결과와 일치합니다. Au의 화학적 상태를 분석하고 Au와 TiO의 상호작용에 대한 심층적인 기본 정보를 얻기 위해2 , Au-30@TiO2 나노복합체는 XPS 측정에 의해 추가로 조사되었습니다. Ti 2p 및 Au 4f의 고해상도 스펙트럼은 각각 그림 4c와 d에 나와 있습니다. 그림 4c에 표시된 것처럼 약 458.4 및 464.2eV의 결합 에너지를 갖는 두 개의 피크가 Ti 2p3/2에 할당될 수 있습니다. 및 Ti 2p1/2 Ti
4+
의 회전 궤도 구성요소 , 각각 [39]. 그림 4d는 Au 4f7/2에 대해 83.6 및 87.4 eV에 두 개의 피크가 나타난 Au 4f XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 및 Au 4f5/2 각각 Au 종이 금속 상태로 존재함을 시사하는 수준. Au 4f7/2의 상대 음의 이동(0.4 eV) 벌크 Au에 비해 피크(4f7/2 84.0 eV에서) TiO2의 산소 결손으로부터 전자 전달에 기인할 수 있음 강한 Au/TiO2를 확인하는 Au로 상호작용 [40, 41].
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a의 HRTEM 이미지 TiO2 그리고 b Au-30@TiO2 , b의 오른쪽 상단 삽입 Au-30@TiO2의 SAED 패턴을 보여줍니다. 나노구조. c의 고해상도 XPS Ti 2p 및 d Au-30@TiO2의 Au 4f
그림 5는 TiO2의 UV-Vis 확산 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 및 Au-x@TiO2 나노구조. 이 모든 샘플에서 400nm 이하의 강한 흡수 밴드가 관찰되며, 이는 아나타제 TiO2의 밴드 갭이 크기 때문일 수 있습니다. [42]. TiO2와 비교 , Au-x@TiO2 Au 나노 입자의 LSPR 효과에서 발생하는 약 580nm에서 넓은 흡수 피크와 함께 400nm 이하에서 유사한 흡수를 가질 뿐만 아니라 400~800nm에서 향상된 흡수 범위를 갖습니다[43]. 이러한 결과는 Au-x@TiO2에 대한 더 나은 광촉매 활성을 나타냅니다. 특히 Au-80@TiO2의 경우 가시광선 조사에서 예상할 수 있습니다. 더 강한 흡수 강도로. Au@TiO2에 대한 LSPR 흡수의 약간의 이동 Au 나노 입자는 크기와 주변 환경에 민감하기 때문에 스퍼터링 시간이 다른 나노 구조도 합리적입니다 [24, 42]. 이러한 관찰은 Au-x@TiO2 광촉매는 Au 나노 입자의 모양, 직경 및 형태를 조정하여 조정 가능한 광 수확 범위를 가질 수 있습니다[44].
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TiO2의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 및 Au-x@TiO2
광촉매 활동
산업 및 가정에서 발생하는 폐수에서 유기 오염 물질을 제거하는 것이 많은 관심을 받았습니다[45,46,47,48]. MB는 664nm에서 흡수된 MB의 파란색이 분해 과정과 함께 점진적으로 퇴색할 것이고[49, 50] UV-Vis 흡수 스펙트럼으로 쉽게 모니터링할 수 있기 때문에 광촉매 반응에서 촉매 효율을 평가하기 위해 표적 오염 물질로 자주 사용됩니다. . TiO2의 광촉매 활성 및 Au-x@TiO2 가시광선(420~780nm) 조사에서 분해 속도를 감지하기 위해 664nm에서 MB 염료의 흡광도를 모니터링하여 복합 재료를 평가했습니다. 다른 촉매에 대한 조사 시간에 대한 상대 MB 농도의 변화가 그림 6a에 나와 있습니다. 비교를 위해 순수 TiO2의 광촉매 활성 나노튜브가 처음으로 조사되었습니다. MB의 약 60%가 TiO2로 저하되었음을 알 수 있습니다. 90분 동안 가시광선 조사에서 광촉매로 사용됩니다. TiO2의 상대적으로 낮은 광촉매 효율 가시광선을 잘 흡수하지 못하기 때문입니다. 위의 빈 실험과 비교하여 Au-x@TiO2 광촉매는 Au-80@TiO2에 대해 더 높은 분해 효율과 분해 효율을 나타냅니다. 동일한 실험 조건에서 약 90%에 해당합니다. 촉진 광촉매 특성은 이종 계면의 존재와 상응하는 플라즈몬 강화 광 흡수로 인해 증가된 전자-정공 생성 속도에 기인할 수 있습니다[51, 52]. Au의 고에너지 평면(200)과 TiO2의 두께 모두 조개는 활동에 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다[24, 53]. Au-x@TiO2 중 광촉매에서 스퍼터링 시간이 증가함에 따라 Au(200) 피크는 해당 XRD 피크 강도에서 볼 수 있는 것처럼 더 높은 에너지 평면을 나타냅니다. 또한, Au-120@TiO2 더 얇은 TiO2 사용 쉘(5nm)은 전자 소비를 위한 충분한 반응 사이트를 제공할 수 없습니다. 따라서 TiO2의 적절하고 유사한 두께를 기반으로 다른 Au-x@TiO2 위의 쉘 , Au-80@TiO2 가장 높은 활동을 보여줍니다.
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아 다양한 조건에서 MB 농도 대 반응 시간 평가. ㄴ Au-80@TiO2를 이용한 MB 수용액 광촉매 분해의 재활용성 3주기
불균일 촉매로서 촉매의 재사용 가능성도 실제 적용에서 매우 중요합니다. Au-80@TiO2의 재사용 가능성을 조사하기 위해 3회의 연속 작업을 수행했습니다. . 그림 6b와 같이 눈에 띄는 비활성화가 관찰되지 않아 Au-80@TiO2의 우수한 내구성을 나타냅니다. . Au-80@TiO2의 TEM 이미지 (추가 파일 1:그림 S3) 3회 재활용한 후 촉매의 나선형 요크-쉘 구조가 잘 유지되어 TiO2의 제한된 효과를 추가로 확인합니다. 나노튜브는 Au 손실을 방지하여 촉매의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
위의 결과를 바탕으로 나선형 Au@TiO2를 이용한 MB 분해를 위한 광촉매 과정을 제안합니다. 나노구조(그림 7). 가시광선 조사 시 TiO2 내부의 Au 나노입자의 LSPR 효과에 의해 열전자가 생성됩니다. 나노튜브. 후속 전자는 Au에서 TiO2의 전도대로 이동합니다. . 흡착된 MB의 분해는 구멍(•Au
+
) 구멍이 표면에 흡착된 물을 제거하여 반응성이 높은 하이드록실 라디칼 종을 생성할 수 있기 때문입니다[24, 51, 54]. 동시에 TiO2의 전도대로 전자가 주입된다. 반응성 슈퍼옥사이드 라디칼을 형성하기 위해 산소 분자에 갇힐 수 있음 •O2
-
. 그런 다음 H
+
로 더 반응할 수 있습니다. 활성 생성 •HO2
-
및 •OH 라디칼. 마지막으로 이러한 형성 라디칼에 의해 유기 오염 물질이 파괴될 수 있습니다. 이 작업에서 나선형 키랄 Au@TiO2에 의해 회전된 편광은 구조는 나선형 Au@TiO2의 광촉매 활성을 더욱 향상시키는 LSPR의 여기를 가속화할 수 있습니다. . 또한, 흡착된 MB 분자는 여기되어 TiO2의 전도대로 전자를 전달할 수 있습니다. 순수한 TiO2로 나노튜브는 가시광선 조사에서 약간의 광촉매 활성을 보입니다. 따라서 MB의 광감작 효과도 MB 분해의 작은 부분으로 이어질 것입니다.
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Au@TiO2에 대한 MB의 광촉매 분해 메커니즘에 대한 개략도
SERS 활동
이러한 촉매의 다기능 응용을 활용하기 위해 Au-x@TiO2를 사용하여 추가 실험을 수행했습니다. 금 나노 입자 표면에 흡착된 MB 분자를 검출하기 위한 SERS 기판. 그림 8a에서 볼 수 있듯이 1.0 × 10
−5
M MB 용액, 준비된 기판의 SERS 활성은 Au 스퍼터링 시간이 30초에서 120초로 증가함에 따라 감소합니다. 이 결과는 Au-30@TiO2 가장 우수한 SERS 성능을 가지며, 이는 Au 나노입자가 TiO2와 접촉함을 의미합니다. 나노 입자는 효과적인 SERS 향상을 촉진할 수 있는 많은 수의 핫스팟을 형성할 수 있습니다[55]. Au-30@TiO2의 검출 능력에 대한 다양한 농도의 MB 용액의 영향을 조사하기 위해 , 라만 측정도 수행하였다. 도 8b에 제시된 바와 같이, 라만 신호의 세기는 10
-4
범위의 MB 농도가 감소함에 따라 감소한다. ~ 10
−6
M. 10
−6
의 식별 가능한 라만 신호 900~1500cm
−1
범위의 라만 밴드가 있는 M MB , Au-30@TiO2임을 나타냅니다. SERS 기질로 작용하여 10
−6
의 낮은 MB 농도를 감지할 수 있습니다. M, 오염물질 탐지에 대한 잠재적인 응용을 보여줍니다[56].
<그림>
아 1.0 × 10
−5
의 SERS 스펙트럼 다른 Au-x@TiO2를 사용하여 기판에 수집된 M MB 용액 . ㄴ Au-30@TiO2에서 수집된 다양한 농도의 MB의 SERS 스펙트럼 기질
결론
이 연구에서는 Au@TiO2를 성공적으로 합성했습니다. 나선형 코일과 같은 형태를 가진 난황-쉘 이종 나노복합체를 연구하고 광촉매 및 SERS 효과를 포함한 다기능 사용을 조사했습니다. MB의 가시적인 광촉매 분해는 얻어진 Au-x@TiO2를 표시합니다. 80초의 Au 나노 입자 스퍼터링 시간을 가진 복합 재료는 증가된 광 흡수와 Au 나노 입자의 LSPR 효과에 의한 광여기된 전자-정공 쌍의 재결합 제한으로 인해 가장 높은 광촉매 성능을 나타냅니다. 라만 측정은 Au-x@TiO2 효율적인 SERS 활성 기판으로 사용할 수 있습니다. 그 매혹적인 특성과 특징을 고려할 때, 새로운 이종 나노복합체는 물 분해 및 태양 전지를 포함한 다양한 영역에서 영감을 제공할 수 있습니다. 또한 나선형 노른자 껍질 Au@TiO2 여기서 연구된 모델 시스템은 Ag@TiO2와 같은 다른 이종 구조의 설계로 확장될 수 있습니다. , Au@ZnO 및 Au@NiO, 태양광 변환에 적용
