Au@CdS-CdS 나노플라워의 단계적 합성 및 향상된 광촉매 특성

초록

복잡한 형태와 높은 광촉매 활성을 가진 하이브리드 나노구조의 제조는 이러한 입자가 매우 높은 준비 기술을 요구하고 항상 실용적이지는 않기 때문에 어려운 도전입니다. 여기에서, 계층적 꽃과 같은 Au@CdS-CdS 나노입자(Au@CdS-CdS 나노플라워)가 단계적 방법을 사용하여 합성되었습니다. Au@CdS-CdS 나노플라워는 Au 코어, CdS 쉘 및 CdS 나노로드로 구성됩니다. Au@CdS-CdS 나노플라워의 UV-Vis 흡수 범위는 전체 가시 범위(400–760 nm)를 포함하는 최대 850nm에 이릅니다. Au@CdS-CdS 나노플라워의 광유도 전하 이동 특성은 광발광(PL) 분광법을 사용하여 입증되었습니다. CdS 대응물 및 Au@CdS 대응물과 비교하여, Au@CdS-CdS 나노플라워는 각각 λ =400–780 nm 및 λ =600–780 nm의 조사에서 가장 높은 광촉매 분해율을 보여주었습니다. 구조 및 형태 분석을 기반으로 복잡한 형태를 가진 다른 금속-반도체 나노구조의 설계를 안내하는 데 사용할 수 있는 하이브리드 나노구조의 가능한 형성 메커니즘을 제안했습니다.

소개

태양 에너지는 현재 가장 깨끗하고 풍부한 에너지원으로 인식되고 있습니다. 반도체 광촉매를 사용하여 태양 에너지를 다른 에너지 형태로 변환하는 것은 에너지 위기와 환경 오염을 해결하는 이상적인 방법으로 여겨져 왔습니다[1, 2]. 태양 에너지를 최대한 활용하기 위해 많은 반도체 기반 광촉매가 설계 및 개발되었습니다[3, 4]. 그 중 CdS는 태양광의 가시광선을 효과적으로 흡수하기 위해 약 2.4eV의 적절한 밴드갭을 갖는 몇 안 되는 가시광선 구동 광촉매 중 하나입니다[5]. 그러나 높은 전하 캐리어 재결합 속도와 광부식은 CdS의 광촉매 효율을 심각하게 저해합니다.

최근 몇 년 동안 하이브리드 나노구조는 물리화학적 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다[6,7,8,9]. 해당 개별 구성 요소와 비교하여 CdS 기반 하이브리드 나노 구조는 향상된 광 흡수 범위와 향상된 전하 분리로 인해 특정 응용 분야에서 더 나은 성능을 보여줍니다. Yu et al. 독특한 삼원 황화물 -[ZnS-CdS-Cu_2-x를 구성했습니다. 확장된 흡수 영역과 효율적인 전하 분리를 나타내는 S]-ZnS-헤테로나노로드는 태양 에너지 변환 성능을 향상시킵니다[10]. Xu et al. 구형 및 막대형 CdS@TiO₂ 합성 가시광선 조사에서 선택적 산화환원 반응에 대한 우수한 광촉매 성능을 나타내는 코어-쉘 나노입자(CSN) [11, 12]. CdS-Au-TiO₂의 Z 방식 3성분 나노접합 시스템은 설계된 경로를 따라 전자가 이동하기 때문에 단일 및 2성분 시스템보다 더 높은 광촉매 활성을 나타냈다[13]. 많은 CdS 기반 하이브리드 나노구조가 합성되었지만 원하는 구성요소, 구조 및 결정상을 갖는 하이브리드 나노구조의 제어된 합성은 주목할만한 과제로 남아 있습니다.

금속-반도체 나노구조는 하이브리드 나노구조의 중요한 분과로서 새로운 형태의 첨단 기능성 소재로 널리 연구되고 있다[14,15,16,17,18,19]. 그 중 Au-CdS 하이브리드 나노구조체는 플라즈몬과 엑시톤의 상호작용으로 인해 주목받고 있다. 플라즈몬 나노구조는 나노크기에서 빛 에너지를 집중시키는 상당한 능력을 가지고 있는데, 이는 일치하는 주파수에서 입사광과 함께 금속 표면 전자의 집합적 진동으로서의 특성에서 비롯됩니다[20]. 금속이 반도체와 혼성화되면 이러한 플라즈몬의 광 관리 능력을 활용하여 반도체의 광여기 효율을 높일 수 있다[21]. 나노 과학 연구에서 나노 결정의 크기와 모양을 제어하여 복잡한 나노 구조를 설계하는 것은 새로운 특성을 탐구하는 데 중요합니다[22,23,24,25]. 지금까지 다양한 형태의 Au-CdS 하이브리드 나노구조가 준비되어 광학 부품, 센서, 광전지 및 광촉매 소자에 적용되었다[26,27,28,29,30]. 그러나 잘 정의된 형태를 가진 Au-CdS 나노복합체의 3D 계층 구조는 거의 보고되지 않았습니다. 복잡한 나노복합체의 합성은 이러한 나노입자가 매우 높은 준비 기술을 요구하고 항상 실용적이지는 않기 때문에 매우 어려운 도전입니다.

여기에서 단계적 합성 전략을 통해 꽃과 같은 Au@CdS-CdS 나노입자(Au@CdS-CdS 나노플라워)를 구성합니다. 이것은 Au@CdS CSN의 표면에 1D CdS 나노로드의 에피택시 성장에 의해 구성된 계층적 이종 구조와 Au와 CdS 사이의 이종 구조를 가지고 있습니다. 합성된 Au@CdS-CdS 나노플라워는 최대 850nm에 도달하고 전체 가시 범위를 덮는 확장된 흡수 영역을 보여줍니다. Au@CdS-CdS 나노플라워는 가시광선 조사에서 Au@CdS CSN 및 CdS 대응물에 비해 향상된 광촉매 활성을 보여줍니다. 크기, 형태 및 구조를 기반으로 우리는 유용한 기능을 가질 것으로 예측되는 복잡한 나노입자를 종종 설계하는 의학, 에너지 및 전자공학과 같은 다양한 분야의 연구자에게 유용한 가능한 성장 메커니즘을 제안했습니다.

방법

Au@CdS-CdS 나노플라워의 합성

알라딘에서 받은 모든 화학 물질은 분석 등급 시약이었고 추가 정제 없이 사용되었습니다. 평균 직경이 50nm인 Au 콜로이드는 전통적인 Fren의 방법[31]으로 합성되었으며 Au@CdS CSN은 공개된 열수 방법[32]을 사용하여 제조되었습니다. 일반적으로 l-시스테인 수용액(Cys, 99%)을 Cys 대 Cd²⁺ 의 2:1 M 비율로 질산카드뮴 사수화물(99%)과 혼합했습니다. . 2mL l-시스테인-Cd²⁺ (Cys/Cd²⁺ ) 혼합물을 10mL Au 콜로이드에 첨가하고 15분 동안 교반한 다음, 얻어진 Au-(Cys/Cd²⁺ )를 물로 50mL로 희석하고 테플론 라이닝된 스테인리스강 오토클레이브(100mL 용량)로 옮겼습니다. 밀봉한 후, 오토클레이브를 가열하고 130°C에서 6시간 동안 유지했습니다. Au 나노입자에 두꺼운 CdS 쉘을 코팅하려면 10mL Cys/Cd²⁺ 혼합물을 Au 콜로이드(10mL)에 첨가하고 다른 반응 조건은 변경하지 않았습니다.

그런 다음 Au@CdS-CdS 나노플라워를 다음과 같이 합성했습니다. 생성된 Au@CdS CSNs 콜로이드(10mL), 1mL의 10mM Cys/Cd²⁺ 혼합물 및 20mL의 에틸렌디아민(En,> 99%)을 혼합하고 15분 동안 교반한 다음, 테플론 라이닝된 스테인리스강 오토클레이브(50mL 용량)로 옮겼습니다. 밀봉된 오토클레이브를 180°C로 가열하고 이 온도에서 10시간 동안 유지한 다음 실온으로 냉각했습니다. 생성물을 모아서 증류수와 에탄올로 여러 번 세척하여 남아있는 이온과 불순물을 제거하였다.

CdS 대응물은 다음과 같이 합성되었습니다. 4mL Cys/Cd²⁺ 혼합물 및 20mL 물을 반응기에 첨가하고 15분 동안 교반한 다음, 밀봉하고 6시간 동안 130°C로 가열했습니다. 생성물을 상온으로 자연 냉각시키고 증류수와 에탄올로 여러 번 세척하였다. 마지막으로 샘플을 무수 에탄올에 분산시켰다.

재료 특성

샘플의 X선 회절(XRD) 측정은 Bruker D8 고급 회절계에서 수행되었고 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 PerkinElmer Lambda 35 광도계에서 테스트되었습니다. 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM) 이미지와 에너지 분산 X선 분광계(EDS)는 JSM-7001F 장치에서 얻었습니다. 투과 전자 현미경(TEM) 모델은 JEM-2010이고 작동 전압은 200kV입니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM) 이미지도 200kV의 작동 전압으로 JEM-2010에서 테스트되었습니다. 광발광(PL) 스펙트럼은 여기 파장이 400nm인 Perkin-Elmer LS-55에서 측정되었습니다. 광전류 측정(i–t 곡선)은 광원으로 300W Xe 아크 램프 아래에서 바이어스 없이 CHI660C 전기화학 스테이션을 사용하여 기존의 3전극 전지 시스템에서 수행되었습니다. 광촉매로 증착된 세척된 ITO 유리, Pt 플레이크 및 Ag/AgCl 전극은 각각 작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극으로 사용되었습니다. 나₂ SO₄ (0.2M)을 전해질로 사용했습니다.

광촉매 활성 측정

광촉매 반응에 사용된 광학 시스템은 가시광선 영역의 조사를 보장하는 크세논 램프(300W)와 2개의 대역통과 필터(대역폭 400~780nm 및 600~780nm)로 구성되었습니다. Au 나노 입자, CdS 대응물, Au@CdS 두께 및 Au@CdS-CdS 나노플라워를 포함한 4가지 종류의 광촉매를 사용하여 로다민 6G(R6G) 용액을 분해하였다. 일반적으로 6mg의 광촉매를 20mL의 R6G 용액(1.0 × 10⁻⁵ M) 조사 전에 흡착 평형을 달성하기 위해 암실에서 30분 동안 교반했습니다. 광촉매 실험은 각각 400–780 nm 및 600–780 nm의 두 가지 조사 범위에서 수행되었습니다. 그런 다음 2.5mL 용액을 10분마다 추출하고 원심분리하여 광촉매를 제거했습니다. 촉매 반응을 모니터링하기 위해 PerkinElmer Lambda 35 광도계를 사용하여 여과액의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 기록했습니다. 모든 광촉매 실험은 공기 중에서 실온에서 수행되었습니다. R6G의 열화는 다음과 같이 정의되었습니다.

저하(%) =[(C ₀ -C _t ) / C ₀ ] × 100.

여기서 C ₀ R6G의 초기 농도, C _t 는 광촉매 반응 후 특정 시간의 R6G 농도입니다.

결과 및 토론

나노플라워의 합성 메커니즘

Au@CdS-CdS 나노플라워의 단계적 합성 과정을 그림 1에 나타내었다. 먼저 Au 나노입자를 평균 50nm 정도의 크기로 합성한다. CdS 층은 Au@CdS CSN을 생성하기 위해 열수 반응을 통해 Au 나노입자의 표면에 증착된다. 그런 다음, CdS 나노로드는 혼합 solvothermal 방법을 통해 Au@CdS CSN의 표면에 성장하여 계층적 Au@CdS-CdS 나노 구조를 생성합니다. l-시스테인과 에틸렌디아민은 Au@CdS-CdS 나노플라워 합성에 중요한 역할을 합니다. 3개의 작용기(SH, COOH, NH₂)를 갖는 l-시스테인 ), Au와 CdS 결정 사이의 격자 불일치를 보완하기 위해 유황 공급원이자 연결제 역할을 합니다[32]. 결정상은 CdS 나노로드의 성장에 구조 유도 시약으로 에틸렌디아민을 도입하여 제어할 수 있습니다[33]. 또한 Au 콜로이드인 Cys/Cd²⁺ 를 추가하여 Au@CdS-CdS 나노플라워를 합성하는 것은 매우 어렵습니다. 혼합물 및 에틸렌디아민을 동일한 조건에서 함께 사용합니다. 따라서 Au@CdS CSN의 중간체는 Au@CdS-CdS 나노플라워의 합성에 필요합니다. CdS 쉘의 표면이 매끄럽지 않고 이러한 돌출부가 CdS 나노로드의 에피택셜 성장을 위한 "성장 사이트"가 되기 때문입니다.

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Au@CdS-CdS 나노플라워 합성 과정의 개략도

샘플 형태 및 구조

각 절차에서 나노 입자의 SEM 이미지는 그림 2a-c에 나와 있습니다. Au 나노입자는 크기가 균일하고 잘 분산되어 있음을 보여주었다. Au@CdS CSN은 단일 Au 또는 CdS 나노 입자가 거의 관찰되지 않는 그림 2b에 나와 있습니다. CdS 쉘의 표면은 톱니 모양이며 삽입 TEM 이미지에서 팽창을 관찰할 수 있습니다. 그림 2c에서 볼 수 있듯이 Au@CdS-CdS 나노결정은 분산이 잘 된 꽃 모양의 나노입자로 잘 정의되어 있습니다. 그림 2d는 두꺼운 CdS 쉘(Au@CdS 두께로 표시)이 있는 Au@CdS CSN의 TEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2e는 Au@CdS-CdS 나노플라워의 TEM 이미지를 보여줍니다. 1D CdS 나노로드가 Au@CdS CSN의 표면에 에피택셜 성장되었음을 알 수 있다. CdS 나노로드의 직경과 길이는 각각 약 16nm와 40nm였습니다. Au@CdS-CdS 나노플라워의 HR-TEM 이미지는 그림 2f에 나와 있습니다. 나노로드에서 0.34nm의 격자 간격은 wurtzite CdS의 (002) 결정면과 일치했습니다. 준비된 CdS 나노로드는 우선적인 성장 방향이 [001], c-축 [34]인 단결정이었다. EDS 분석은 그림 2g와 같이 Au@CdS-CdS 나노플라워의 원소 조성을 추가로 확인했으며, 이는 Cd, S 및 Au 원소의 존재를 나타냅니다. 균일한 크기의 CdS 나노결정이 그림 2h에 나와 있습니다. 또한 Au 콜로이드, Au@CdS thin, Au@CdS-CdS nanoflowers, CdS 대응물 및 Au@CdS Thick 용액의 색상은 각각 적포도주, 보라색, 녹색, 노란색 및 녹색이었습니다. . 2i.

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아 , b , h Au 나노입자의 SEM 이미지, 얇은 껍질을 가진 Au@CdS, CdS 대응물. d 두꺼운 껍질을 가진 Au@CdS의 TEM 이미지. ㄷ , e , f , 지 Au@CdS-CdS 나노플라워의 SEM, TEM, HR-TEM 이미지 및 EDS 프로파일. 나 솔루션 색상 사진

Au@CdS-CdS 나노플라워 합성과정에서 얻은 시료의 XRD 패턴을 Fig. 3에 나타내었다. Au 나노입자의 XRD 피크가 관찰되었으며, 2θ =38.2, 44.2, 64.75의 피크는 (111 ), (200) 및 (220) 각각 fcc Au 결정(JCPDS 04-0784)의 평면. CdS 결정의 경우, 2θ =25, 26.5, 28.2, 43.8, 47.8 및 51.9에서 피크는 (100), (002), (101), (110), (103) 및 (112) wurtzite CdS 결정(JCPDS 41-1049). fcc Au 및 wurtzite CdS 결정 회절 피크는 각각 Au@CdS CSN 및 Au@CdS-CdS 나노플라워의 XRD 패턴에서 관찰되었습니다. (002) 결정면의 회절 피크 강도는 Au@CdS-CdS 나노결정의 다른 피크보다 훨씬 높다는 점에 유의해야 합니다. 이는 (002) 결정면의 회절 피크가 뚜렷하고 CdS 나노로드가 [001] 방향으로 성장했음을 나타내어 HR-TEM 결과와 일치하였다.

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Au, CdS, Au@CdS CSN 및 Au@CdS-CdS 나노플라워의 XRD 패턴

샘플의 광학적 속성

5개 샘플의 광학 특성은 그림 4와 같이 UV-Vis 측정으로 분석되었습니다. CdS 콜로이드의 밴드 가장자리 위치는 500nm 미만이었습니다. 50nm Au 콜로이드는 530nm를 중심으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 흡수를 나타냅니다. Au 나노스피어를 얇은 CdS 층으로 코팅하면 플라즈몬 피크가 568nm로 적색 편이가 발생했습니다. CdS 쉘 두께가 증가함에 따라 SPR 위치는 Au@CdS 두께 및 Au@CdS-CdS 나노플라워에서 각각 623nm 및 635nm로 적색 이동했습니다. 실험 결과는 금속의 SPR 위치가 금속의 크기, 모양 및 주변 매질에 의존하기 때문에 CdS 쉘의 두께가 증가함에 따라 Au 나노 입자의 SPR 흡수 피크가 연속적인 적색 편이를 나타냄을 보여주었다. Au@SiO₂에서도 유사한 현상이 관찰되었습니다. , Au@Cu₂ O 및 Au-Fe₃ O₄ 하이브리드 나노구조 시스템 [35,36,37]. Au@CdS-CdS 나노플라워의 밴드 가장자리 위치는 최대 850nm에 도달했으며, 이는 광촉매 활성을 향상시키기 위해 햇빛의 가시 영역(400-760nm)을 더 잘 수확할 수 있었습니다.

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샘플의 UV-Vis 흡수 스펙트럼:각각 CdS 대응물, Au 나노입자, Au@CdS CSN 및 Au@CdS-CdS 나노플라워

광 유도 전하 이동 속성

합성된 Au@CdS-CdS 나노플라워, Au@CdS CSN, CdS 대응물 및 Au 콜로이드의 광발광(PL) 스펙트럼은 그림 5a에 나와 있습니다. 금 콜로이드는 ~ 600nm에서 약한 PL 피크를 보였습니다. CdS 대응물의 PL 스펙트럼은 530nm에서 우세한 방출 밴드를 보여주고 598nm에서 더 작은 숄더 피크를 보여주었습니다. 530nm의 밴드는 CdS의 전형적인 여기자 밴드 밴드 방출에 기인할 수 있습니다. 598nm의 숄더는 CdS 결정의 구조적 결함으로 인해 발생하는 트랩된 방출 때문일 수 있습니다. 그러나 하이브리드 구조의 PL 스펙트럼 강도는 크게 감소했으며 Au@CdS-CdS 나노플라워에서 CdS의 복사 방출은 Au@CdS CSN에서보다 더 많이 소멸되었습니다. Au의 페르미 준위는 정규화 수소 전극(NHE)에 대해 + 0.5V에 위치했기 때문에 CdS의 전도대 수준(- 1.0V 대 NHE)보다 낮았습니다. CdS가 여기된 후 전도대의 자유 전자는 에너지 차이로 인해 Au 코어로 이동합니다[32, 38]. 광유도 전하 이동 메커니즘은 전자-정공 재결합 확률을 감소시키고 CdS에서 여기자 방출을 억제하였다. 광 생성된 전자와 정공의 재결합 확률은 Au@CdS CSN에서 더 높았는데, 이는 아마도 CdS 함량이 높기 때문일 것입니다. 꽃 모양의 Au@CdS-CdS 하이브리드 나노구조는 금속-반도체 이종접합을 위한 광유도 전하 전달 메커니즘 연구를 위한 이상적인 연구 플랫폼을 제공합니다. Au@CdS-CdS 나노플라워, Au@CdS 두께 및 CdS 대응물에서 얻은 과도 광전류 응답의 결과는 그림 5b에 나와 있습니다. Au@CdS-CdS에 대한 광전류가 Au@CdS 두께 및 CdS 대응물에 비해 크게 개선되었음을 쉽게 관찰할 수 있었다. Au@CdS-CdS 나노복합체에 대한 향상된 광전류는 광촉매 활성에 유리한 블랭크-CdS보다 광유도 전자-정공 쌍의 더 효율적인 분리와 광생성 전하 캐리어의 더 긴 수명을 의미합니다.

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아 Au 콜로이드, Au@CdS 두께, Au@CdS-CdS 및 CdS 대응물의 PL 스펙트럼. ㄴ 0.2M Na₂에서 λ ≥ 400 nm의 가시광선을 조사한 Au@CdS-CdS 나노플라워, Au@CdS 두께 및 CdS 대응물의 일시적인 광전류 응답 비교 SO₄ Ag/AgCl 대비 바이어스가 없는 수용액

자료 적용

Au@CdS-CdS 나노플라워는 가시광선 포획 능력과 광유도 전하 분리 특성이 향상되어 특정 응용 분야에서 잠재적 가치가 있습니다. 400–780 nm 조사에서 Au@CdS-CdS의 광촉매 활성은 염료 Rhodamine 6G를 광분해 표적으로 사용하여 감지되었습니다. 비교를 위해 Au 나노 입자, CdS 대응물 및 Au@CdS 두께도 동일한 조건에서 테스트되었습니다. 그림 6a는 Au@CdS-CdS 나노플라워를 사용하여 조사 시간이 다른 R6G 용액의 UV-Vis 흡수 스펙트럼입니다. R6G 용액의 흡수 피크 강도는 조명 시간에 따라 급격히 감소했으며 특성 흡수 피크도 528nm에서 507nm로 이동했습니다. 40분 후 R6G의 농도는 거의 변화가 없어 분해 반응이 완료된 것으로 나타났습니다. 그림 6b는 Au 나노입자, CdS 대응물, Au@CdS 두께 및 Au@CdS-CdS 나노플라워를 사용한 R6G 용액 농도의 정규화된 변화를 보여줍니다. 촉매가 없으면 R6G의 농도 변화는 무시할 수 있습니다. 촉매 중 Au@CdS-CdS 나노플라워의 광분해 속도는 다른 물질보다 훨씬 빨랐다. 40분 후 Au@CdS-CdS 나노플라워 시스템에서 R6G 용액의 86%가 분해된 반면 Au@CdS 두께의 CdS 대응물에서는 R6G 용액의 71%, 46%, 12%만이 분해되었습니다. Au 나노 입자 시스템, 각각.

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아 Au@CdS-CdS 나노플라워를 400–780nm 조사에서 광촉매로 사용하여 다양한 조사 시간에서 R6G 용액의 흡수 스펙트럼. ㄴ C _t /C ₀ 서로 다른 광촉매 존재 시 R6G 광분해에 대한 조사 시간 플롯 대 비교

그림 6b에서 볼 수 있듯이 하이브리드 나노구조는 해당 단일 구성 요소에 비해 우수한 광촉매 활성을 나타냅니다. 반도체 나노구조에 플라즈몬 금속 나노결정을 포함시키면 전자의 LSPR을 통해 후자의 광촉매 성능이 크게 향상되었다[39, 40]. 금 나노 입자의 집중되고 산란된 빛은 CdS의 빛 흡수를 증가시키는 데 기여하여 더 많은 여기자를 생성했습니다. Au와 CdS 사이의 이종접합은 전하 분리와 이동을 촉진합니다. 또한, Au@CdS-CdS 나노플라워의 광촉매 속도는 Au@CdS 두께의 나노플라워보다 분명히 높았으나 동일한 크기와 유사한 스펙트럼 흡수 범위를 가졌습니다. 이것은 더 큰 비표면적을 갖는 Au@CdS-CdS 나노플라워의 특수한 형태와 관련이 있을 수 있으며 이는 더 많은 반응 부위를 제공할 수 있음을 의미합니다. 같은 질량에서 나노플라워의 표면적은 나노스피어의 4.67배 이상이었다. 자세한 계산은 추가 파일 1에 나와 있습니다. 따라서 Au@CdS-CdS 나노플라워는 모든 샘플에서 우수한 광촉매 활성을 보입니다.

플라즈몬 강화 광촉매 반응에 대해 설명할 수 있는 근거리장 메커니즘, 광산란 및 열전자 주입과 같은 몇 가지 기본 메커니즘이 있습니다. Au@CdS-CdS 나노플라워의 확장된 흡수 범위를 테스트하기 위해 광촉매 활성이 강화되었는지 여부를 테스트하기 위해 λ =600–780 nm의 조명 하에서 광촉매 테스트를 수행했습니다. 그림 7a는 λ =600–780 nm의 조명 하에서 Au@CdS-CdS 나노플라워에 의해 분해된 R6G의 UV-Vis 흡수를 보여줍니다. 4개의 광촉매에 의한 R6G 분해에 대한 광촉매 활성은 그림 7b에 나와 있습니다. 60분 조사 후 Au 나노입자, CdS 대응물, Au@CdS 두께 및 Au@CdS-CdS 나노플라워의 분해는 각각 9.8%, 15%, 34% 및 45%였습니다. 하이브리드 나노구조 시스템에서 광분해 속도는 단일 성분 결정보다 더 빨랐다. 하이브리드 나노구조의 광촉매 활성은 516nm 이상의 입사광에서 CdS가 여기되지 않기 때문에 확장된 흡수 범위에 의해 향상되었습니다. Au@CdS-CdS 나노플라워에서 Au 나노입자의 SPR 흡수 피크는 약 650nm였습니다. 600–780nm의 조명 아래에서 Au에서 뜨거운 전자가 생성되고 이완 동안 CdS의 전도대로 이동합니다[41, 42]. 이러한 광촉매의 내구성과 재사용성을 추가로 평가하기 위해 동일한 샘플을 원심분리하고 20mL H₂에 재분산했습니다. 10⁻⁵ 을 포함하는 O 다중 사이클링 테스트를 위한 M R6G. 그림 8a는 R6G의 광분해 효율이 세 번의 연속 테스트 주기 동안 거의 변하지 않음을 보여주었으며, 이는 Au@CdS-CdS 나노구조의 높은 안정성을 시사합니다.

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아 Au@CdS-CdS 나노플라워를 600–780 nm 조사에서 광촉매로 사용하여 다양한 조사 시간에서 R6G 용액의 흡수 스펙트럼. ㄴ C _t /C ₀ 서로 다른 광촉매 존재 시 R6G 광분해에 대한 조사 시간 플롯 대 비교

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아 사이클링은 가시광선 조사(400–780 nm)에서 Au@CdS-CdS 나노플라워에 대한 R6G 염료의 광촉매 분해를 위해 실행됩니다. ㄴ 각각 400–780 nm 및 600–780 nm 조사에서 Au@CdS-CdS 나노플라워에 대한 두 가지 전하 분리 메커니즘

플라즈몬 Au와 좁은 밴드갭 반도체 CdS는 모두 Au-CdS 나노구조에서 가시광선에 민감하다. 따라서 Au@CdS-CdS 나노플라워에서 두 가지 별개의 광유도 전하 분리 및 전달 메커니즘이 그림 8b와 같이 입사 여기 에너지에 따라 존재할 것으로 예상됩니다. 특정한 경우에 CdS만 여기되면 전자는 CdS의 전도대에서 Au로 이동합니다. 마찬가지로, Au만 여기되면 전자는 Au의 표면 플라즈몬 상태에서 CdS의 전도대로 점프합니다. 그러나 Au와 CdS가 함께 여기되면 경우가 더 복잡해집니다. 반도체에서 금속으로의 이동이 더 가능성이 높지만 양방향으로 전자의 이동이 가능합니다[43,44,45]. 전하 분리 확률이 증가하면 금속-반도체 하이브리드 나노구조의 광촉매 활성이 향상되는데, 분리된 전자와 정공이 촉매 반응에 참여할 확률이 높기 때문입니다. 일반적으로 구멍은 유기 오염 물질이나 물 분자를 산화시켜 ^· 를 형성할 수 있습니다. OH, 그리고 동시에 광발생 전자는 산화 물질 또는 기타 활성 물질에 의해 쉽게 포획되어 O₂를 생성합니다. ^·- . O₂ ^·- 그리고 ^· OH는 산화 효율이 높고 화학적 활성이 뛰어나 대부분의 유기 염료를 산화시킬 수 있습니다. 계층적 Au@CdS-CdS 나노플라워의 합성은 높은 광촉매 특성을 가진 하이브리드 나노구조의 합리적인 설계 및 제어된 합성에 대한 새로운 관점을 제공할 것입니다.

결론

계층적 Au@CdS-CdS 나노플라워는 단계적 방법으로 성공적으로 준비되었습니다. 얻어진 나노하이브리드에서 CdS 나노로드는 Au@CdS CSN의 표면에 에피택셜 성장하였다. Au@CdS-CdS 나노플라워는 각각 λ =400–780 nm 및 λ =600–780 nm 조사에서 R6G 분해에 대해 우수한 광촉매 활성을 나타냈다. 계층적 Au@CdS-CdS 나노플라워는 세 가지 장점이 있습니다. 첫째, 이종구조가 광생성 전자-정공 쌍의 분리 및 전달을 개선했습니다. 둘째, 계층 구조는 더 많은 반응 사이트를 제공합니다. 셋째, 확장된 흡수 범위는 빛을 포착하는 능력을 향상시켰습니다. 또한, 우리는 Au@CdS-CdS 나노플라워의 단계적 합성을 위한 가능한 메커니즘을 제안했는데, 이는 미래 청정 에너지 및 환경 복원 분야를 위한 복잡한 형태를 가진 다른 금속-반도체 나노하이브리드를 준비하는 데 사용할 수 있습니다.

약어

CSN:: 코어쉘 나노입자
사이:: l-시스테인
Cys/Cd²⁺ :: l-시스테인-Cd²⁺
EDS:: 에너지 분산 분광기
영어:: 에틸렌디아민
FE-SEM:: 전계 방출 주사 전자 현미경
HR-TEM:: 고해상도 투과 전자 현미경
NP:: 나노입자
PL:: 광발광
TEM:: 투과 전자 현미경
UV-Vis:: 자외선 가시성
XRD:: X선 회절

심층자외선 플립칩 발광다이오드의 광추출 효과에 대한 메쉬형 p형 접촉 구조의 영향 모노아조 염료의 효율적인 광분해를 위한 3원 자기 재활용 ZnO/Fe3O4/g-C3N4 복합 광촉매

나노물질