폐수 처리를 위한 효과적인 광촉매 활성을 가진 은으로 장식된 환원 그래핀 산화물(rGO) 나노플레이크의 열수 합성

초록

산화 그래핀(GO)은 변형 험머법(modified hummers method)을 통해 얻었고, 환원된 산화 그래핀(rGO)은 열처리를 통해 얻었다. 다양한 농도(2.5, 5, 7.5 및 10 wt.%)의 은(Ag)은 열수 접근법을 채택하여 GO 나노시트에 통합되었습니다. 합성된 Ag 장식된 rGO 광촉매 Ag/rGO는 상 순도와 결정 구조를 결정하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하여 특성화되었습니다. XRD 패턴은 GO에서 Ag/rGO로의 형성을 보여주었다. 분자 진동 및 작용기는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 통해 결정되었습니다. UV-가시광선(Uv-Vis) 분광광도계와 광발광(PL)을 사용하여 Ag 삽입에 따른 광학적 특성과 밴드갭 감소를 확인했습니다. 탄소 구조의 전자적 특성 및 장애를 라만 분광기를 통해 조사하여 특성 밴드(D 및 G)의 존재를 밝혀냈습니다. 준비된 샘플의 표면 형태를 전계방출 주사전자현미경(FESEM)으로 조사하였다. 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM)을 사용하여 rGO 시트 위의 Ag NP의 균질한 분포, 크기 및 구형 모양을 추가로 확인했습니다. 도핑된 샘플과 도핑되지 않은 샘플의 염료 열화를 Uv-Vis 스펙트럼을 통해 조사했습니다. 실험 결과에 따르면 Ag@rGO의 광촉매 활성은 전자-정공 쌍 재결합 감소로 인해 도핑 비율이 증가함에 따라 향상되었습니다. 따라서 Ag@rGO는 환경 및 폐수를 정화하는 유익하고 우수한 광촉매로 사용될 수 있음을 제안합니다.

소개

지구상의 물은 우리 몸의 피와 같습니다. 모든 생물종의 생존과 발달을 위한 핵심 자원입니다. 지구 표면의 71%가 물로 덮여 있지만 전체 물의 0.03%만이 민물 호수, 강 및 얕은 지하수를 통해 인간이 직접 이용할 수 있는 민물로 간주됩니다. 최근 수십 년 동안 깨끗한 식수의 불충분한 가용성이 전 세계적인 문제로 대두되었습니다. 세계 인구의 급격한 증가와 산업화로 인해 환경 오염이 증가하여 약 7억 5천만 명이 깨끗한 물에 접근할 수 없는 상황에 직면했습니다[2, 3]. 저수지는 섬유, 고무, 종이, 화장품, 염색, 플라스틱 및 식품과 관련된 다양한 가죽 제혁소 및 산업에서 방출되는 중금속 이온, 염료, 오일 및 기타 화학 물질을 포함하는 다양한 유해 오염 물질에 의해 반복적으로 오염됩니다[4]. 세계 은행 보고서에 따르면 수질 오염의 17-20%는 섬유 산업에 의해 유발됩니다. 매년 1/1000만 유형의 염료가 수많은 섬유 공정에서 생산되며 이 염료 중 메틸렌 블루(MB) 10-15%가 폐수에 직접 방출됩니다. 이러한 오염 물질은 암, 피부 발진, 알레르기, 간 기능 장애와 같은 심각한 건강 문제를 일으키고 수생 생물에게도 해롭습니다[4, 5].

이러한 세계적인 문제를 해결하기 위해 이온 교환, 전기분해, 탄소 필터, 화학적 응고, 생물학적 방법, 막 여과 및 역삼투(RO)와 같은 특정 기존 처리 접근 방식이 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 이러한 기술에는 부적절함, 복잡한 절차, 높은 슬러지 형성, 높은 구현 및 운영 비용, 많은 양의 에너지 사용을 비롯한 일련의 결점과 한계가 있습니다[4, 6, 7]. 따라서 앞서 언급한 특성을 가진 효율적인 기술이 개발되어야 합니다. 이러한 기술 중 광촉매는 최대 결핍을 극복합니다.

지금까지 무기반도체 나노물질을 이용한 광촉매 분해는 저독성, 전기화학적 안정성, 초산화능력, 비용효율성, 환경적 생존능력 등의 물리적, 화학적 특성이 우수하여 연구자들의 큰 관심과 관심을 받고 있다[2, 8, 9 ]. 광촉매(PC) 과정에서 나노물질은 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭 시작 여기보다 더 큰 가시광선 에너지를 흡수합니다. 전하 분리를 통해 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 자유 라디칼(OH)은 유기 화합물을 산화시키고 오염 물질을 분해합니다[8, 10].

반면에 유기 오염 물질은 주로 반도체 표면에서 분해되기 때문에 PC 성능, 특히 광촉매의 표면적을 결정하는 몇 가지 중요한 요소가 중요합니다. 다양한 나노구조 중 강력한 광 흡수 능력, 빠른 계면 산화 환원 속도의 존재; 2차원(2D) 나노구조는 이러한 특징을 보다 효율적으로 달성하는 경향이 있습니다[11,12,13,14]. 2D 나노 물질은 또한 다른 구형 나노 결정과 달리 접합 및 입자 경계가 감소하여 전자 수송 채널을 제공합니다. 전자의 빠른 이동은 재결합 속도를 감소시키고 PC 분해 성능을 향상시킵니다. 따라서 이 라인에서 산화 그래핀(GO)은 반도체 PC 효율성을 보증하기에 적합한 후보입니다[15,16,17,18].

지난 수십 년 동안 CNT 및 기타 탄소 기반 나노 물질 외에도 단일 원자 두께의 나노 시트를 가진 그래 핀이 에너지 전환, 저장 및 촉매 활성을 포함하여 유망한 관련 특성을 가진 눈길을 끄는 후보로 부상했습니다 [19, 20,21]. 수처리 및 증류에 관한 연구에서 sp² 에 결합된 다수의 비편재화된 전자로 인해 탄소 네트워크의 구성, 흑연 탄소는 광전자의 수송을 풍부하게 하고 시스템의 광 변환 효율을 크게 향상시킵니다. 게다가, GO는 수성 매질에서 유기 물질의 높은 흡수 능력을 나타낸다[22, 23]. GO 및 환원그래핀옥사이드(rGO)는 PC 반응을 일으키고 좁은 밴드갭으로 인해 가시광 활성 반도체 광촉매로 촉진됩니다. 그럼에도 불구하고 표면에서 전자-정공 쌍의 빠른 재결합으로 인해 광변환이 불량한 것으로 밝혀졌기 때문에 개선의 여지가 있습니다.

GO/rGO 기반 광촉매의 광전환 효율은 전자-정공 재결합을 방지함으로써 향상될 수 있다. 이 목적을 달성하기 위해 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은 및 금 나노입자(NP)를 포함한 귀금속 이온으로 표면 개질이 잘 개발되었습니다. 가장 많이 연구된 귀금속 중 은은 저렴한 비용, 비교할 수 없는 광학적 특성, 높은 화학적 안정성 및 무독성 특성으로 인해 PC 관련성을 위해 그래핀 및 그 유사체의 변형 가능성이 있는 후보로 간주됩니다. rGO에 장식된 은 나노입자의 더 많은 부동성은 주로 증가된 반응성 영역과 우수한 전하 분리로 인해 향상된 성능으로 인정됩니다. Conjugated Scheme을 통한 GO의 고유한 전자 응집 및 수송 특성은 뜨거운 전자를 반응성 사이트로 유도하고 재결합을 억제합니다[23]. 결과적으로, 위에서 언급한 이점을 대신하여, 우리는 열수 경로를 통해 rGO 광촉매와 Ag 함량(2.5, 5, 7.5, 10)의 다른 비율을 합성하는 것을 목표로 하여 광촉매 효율을 조사하고 준비된 샘플을 여러 기술을 통해 특성화하여 연구했습니다. 구조적 광학 및 전자 특성.

방법

현재 연구는 광촉매 효율을 조사하기 위해 열수 경로를 통해 다양한 농도의 Ag를 rGO 나노시트로 합성하는 것을 목표로 하고 있습니다.

자료

흑연(99%) 및 질산나트륨(NaNO₃ ) 99.9%는 "Sigma-Aldrich"에서 조달되었으며 황산(H₂ SO₄ , 37%) 및 인산(H₃ PO₄ ) "Analar"에서 인수했습니다. 은(Ag, 99.8%), 과망간산칼륨(KMnO₄ , 99%) 및 염산(HCL)은 "Merck"에서 얻었습니다. 모든 화학 물질은 추가 정제 없이 사용되었습니다.

GO 합성

수정된 험머 방식을 채택하여 GO를 획득했습니다. 흑연(5 g) 및 NaNO₃ (2.5 g) H₂에 혼합 SO₄ (108 ml) 12 ml H₃ 포함 PO₄ . 혼합물을 빙욕에서 10분 동안 자기 교반하였다; 추가 여과액을 60 °C의 머플로에서 2 시간 동안 건조하여 수분을 제거했습니다. 나중에 KMnO₄ (15 g)를 5 °C 미만으로 유지된 온도에서 천천히 첨가하였다. 현탁액을 98°C에서 60분 동안 격렬하게 교반한 후 2시간 동안 얼음 수조로 옮기면서 물을 계속 첨가했습니다. 5분 H₂ 후 현탁액 부피가 400ml가 될 때까지 탈이온수를 추가로 첨가했습니다. O₂ (12 ml)를 혼합하였다. 마지막으로, 현탁액을 원심분리하고 물로 반복 세척하고 HCL 생성물을 60°C에서 건조시켰고 세척 후 GO의 pH는 도 1에 도시된 바와 같이 5.7인 것으로 밝혀졌다[24, 25].

<그림>

GO 및 Ag 도핑된 rGO의 합성 과정

Ag/rGO의 합성

열환원에 의해 GO에서 rGO가 추출됨 GO는 환원온도(300 °C)로 유지하여 환원되며 급격한 온도변화는 탄소면에서 작용기 및 산소원자를 제거하고 GO의 박리가 일어나 rGO를 생성한다 [ 26]. rGO는 화학적으로 유도된 그래핀으로 간주될 수 있으며, 그 구조는 한 층에서 다층까지 다양합니다[27]. 다양한 농도 비율의 Ag 도핑된 rGO는 20분 동안 격렬하게 교반하면서 80ml 탈이온수에 (25, 50, 75 및 100mg) Ag가 포함된 800mg GO 나노시트를 사용하여 열수 합성되었습니다. 그런 다음 용액을 원심분리(30분)하고 후속적으로 100ml 테플론 라이닝된 오토클레이브에 옮기고 밀봉하고 200℃(24시간)에서 가열했습니다. 최종 제품은 그림 1과 같이 ~ 200 °C에서 건조되었습니다[9].

광촉매 활동

제조된 제품의 광촉매 활성은 그림 2와 같이 수성 매질에서 합성 메틸렌 블루(MB)의 분해에 의해 평가되었습니다. 염료(5 mg/500 ml)는 10 mg의 광촉매 현탁액(0.025:1, 0.050:1, 0.075:1 및 0.1:1) 교반(5분) 하에 30분 동안 암소에 노출시켜 상당한 흡광도를 얻습니다. 세게 교반하면서 준비된 용액 60 ml를 가시광원으로 사용되는 수은 램프(400 W 및 400-700 nm) 하에서 광반응기로 옮겼다. 지정된 시간 간격(20 분) 동안 빛에 노출된 후 현탁액(3 ml)을 수집하여 염료 분해를 측정했습니다. UV-Vis 분광계로 MB의 농도/흡광도를 조사했습니다. 제조된 광촉매의 탈색 효율은 다음과 같이 평가되었습니다.

$$ \mathrm{저하}\ \left(\%\right)=\left[1-\left(C/{C}_o\right)\right]\times 100 $$ (1) <그림><출처 type="image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03323-y/MediaObjects/11671_2020_3323_Fig2_HTML.png"?>

Ag/rGO 존재 시 염료 분해에 대한 광촉매 메커니즘

여기서 C _오 t에서의 흡광도 =0 및 C 시간 t에서의 흡광도 (특정 시간 간격) [8, 10].

유기 분자의 광촉매 분해 메커니즘은 다음과 같이 설명됩니다(그림 2). 광촉매(Ag/rGO)에 PC의 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 가진 광자를 조사하면 전자(e^- ) 가전자대(VB)에서 여기됨

$$ \mathrm{PC}+ hv\to {e}^{-}\left(\mathrm{CB}\right)+{h}^{+}\left(\mathrm{VB}\right) $$ (2)

조사를 통해 생성된 전자는 O₂에 의해 쉽게 포획될 수 있습니다. 광촉매(PC) 표면의 분자 흡수 또는 용해된 O₂ 슈퍼옥사이드 라디칼을 제공하기 위해, 즉, O₂ ^•−

$$ {e}^{-}+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{O}}_2^{\bullet -} $$ (3)

따라서 O₂ ^•− H₂와 반응할 수 있습니다. O를 생성하여 하이드로퍼옥시 라디칼(H₂ 오^• ) 및 하이드록실 라디칼(OH^• ), 유기 분자를 분해하는 영향력 있는 산화제:

$$ {\mathrm{O}}_2^{\bullet -}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}\mathrm{O}}_2^{\bullet } +\mathrm{O} $$ (4)

동시에, 광 생성 구멍은 표면 하이드록실 그룹(H₂ O) 광촉매 표면에서 수산기 라디칼을 생성(OH^• ):

$$ {h}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}{\mathrm{H}}_{\mathrm{ad}} $$ (5) $$ {h}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {}^{\bullet}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\ 수학{H}}^{+} $$ (6)

결국, 유기 분자는 산화되어 CO₂를 생성합니다. 및 H₂ O 다음과 같이

OH + 유기 분자 + O₂ → 제품(CO₂ 및 H₂ 오) (7)

일시적으로 정공과 전자의 약간의 재결합이 일어나서 준비된 나노촉매의 광촉매 활성을 감소시킬 수 있다[28].

재료 특성화

GO 및 Ag@rGO의 결정 구조 및 위상 정보는 0.154 nm(5-80°)의 평균 파장의 단색 Cu K 방사선이 장착된 스펙트럼 Bruker 시스템(XRD, D2 Phaser, USA)에 의해 XRD를 통해 조사되었습니다. 0.05/분의 스캔 속도. 스펙트럼 범위가 4000–400 cm⁻¹ 인 FTIR Perklin Elmer 3100 분광계 32개 스캔 증가 및 0.2 cm⁻¹ 해상도 준비된 샘플의 작용기 및 기타 분자 진동을 감지하는 데 사용되었습니다. 광학 특성은 200–700 nm 범위에서 UV-Vis 분광 광도계(TECAN 무한 M200PRO)를 통해 기록되었습니다. 합성된 시료의 표면 형태와 층간 거리를 전계방출 주사전자현미경(FESEM), JSM-6460LV 및 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) Philips CM30, JEOL JEM 2100F를 이용하여 관찰하였다. GO, Ag/rGO 플레이크 및 진동 모드를 확인하기 위해 532 nm(6 mW) 레이저의 반사 공초점 라만 현미경을 통해 Renishaw에서 라만 스펙트럼을 사용했습니다. 준비된 샘플 및 도핑된 샘플의 광발광 스펙트럼을 분광형광계(JASCO, FP -8300)를 통해 기록했습니다.

결과 및 토론

제조된 Ag가 삽입된 rGO 나노시트의 상 구조와 결정자 크기를 XRD 분석을 통해 조사하였다(Fig. 3a). GO의 회절도는 0.80 nm의 층간 간격으로 (001) 평면에 기인한 ~ 10.27°에 위치한 강한 반사를 보여줍니다[23, 29, 30]. Ag 도핑 시 넓은 피크는 ~ 25.4°에서 시작되며, 이는 d 간격이 0.34 nm인 육각형 흑연의 (002) 평면(JCPDS No# 04-0783)으로 인덱싱된 그래핀의 특성 피크로 인식됩니다[23, 30,31 ,32]. 피크(001)는 GO로 완전히 산화된 흑연 분말을 나타내고 (002) 피크는 rGO의 두 층 사이에서 폴리탄화수소 주형의 제거를 보증합니다[30]. Ag 치환 후, GO 피크(001)가 2θ로 더 높은 값으로 이동 25.4°에서 산화 그래핀과 은 이온(Ag-rGO) 사이의 산화 환원 반응에 명백한 더 낮은 d-간격과 환원된 산화 그래핀(rGO) 층 사이에 삽입되는 산소 함유 그룹의 제거로 인한 환원 후 d-이동 값 XRD 회절도에서 볼 수 있는 것처럼 [29, 32]. Scherer의 방정식에 의해 평가된 평균 결정자 크기:

$$ \mathrm{D}=\frac{\mathrm{k}\lambda }{\beta \cos \uptheta} $$ (8)

결정자 크기는 각각 ~ 4.85, 11.3, 11.53, 11.6 및 28.3 nm인 것으로 밝혀졌습니다. 식에서 (8) k =0.89, β =FWHM, λ =0.154 nm 및 θ =회절각. 준비된 샘플의 XRD 패턴에 해당하는 도 3b 및 c의 SAED(Selected Area Electron Diffraction)는 뚜렷한 고리 특징을 나타내고 잘 결정화된 제품에 나타나는 GO 및 Ag/rGO의 육각형 상을 나타냅니다. 또한 링 인덱싱은 XRD 패턴과 일치했습니다.

<그림>

아 XRD 패턴. ㄴ , ㄷ 준비된 상태로 Ag 도핑된 RGO의 SAED 링(b ) 0:1(c ) 0.010:1. d FTIR 스펙트럼

GO 및 Ag 도핑된 rGO의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 그림 3d에 나와 있습니다. 관찰된 피크 ~ 3433 cm^–1 O-H 신축 진동[23]에 해당합니다. 1719 cm^–1 에서 낮은 투과율 피크 COOH 그룹과 1627 cm⁻¹ 의 밴드에 의해 발생하는 C =O 신축 진동에 할당 방향족 C-C 스트레칭에 할당됨 [10, 33]. ~ 2371 cm⁻¹ 에서 피크 COO 그룹에 할당됨[34]. 투과율 피크(~ 650 cm⁻¹ )는 혼성화된 sp² 의 지문 영역입니다. C-H 굽힘 진동으로 할당된 탄소 결합 [35]. 밴드 ~ 1082 cm^–1 하이드록실 신축 진동의 CO-C에 해당하며, 도핑 시 도핑된 샘플의 작용기 피크 값이 약간 변하면서 모양은 유사하게 유지됩니다[23, 29, 36].

Ag-rGO 광촉매의 흡광도 및 밴드갭 분석 측면에서 광학적 특성은 그림 4a와 같이 200-700 nm 범위의 Uv-Vis 분광기를 통해 조사되었습니다. GO의 Uv-Vis 스펙트럼은 π로 인해 약 230 nm에서 특성 피크를 나타냅니다. –π * 방향족 C-C 결합의 전환은 sp² 의 광범위한 접합 프레임워크의 복원을 나타냅니다. 탄소 원자. n에 기인한 300 nm에서 관찰된 또 다른 숄더 피크 –π * C=O 결합의 전이 [19, 23, 31]. 반대로 이 두 피크는 π에 해당하는 Ag/rGO의 경우 약해졌습니다. –π * 방향족 C-C 결합의 전이는 GO의 환원을 확인하고 그래핀의 전자 접합이 복원되지 않음을 나타내는 270 nm에서 적색으로 이동하는 것으로 밝혀졌습니다[23, 29]. 가시광선 영역(~400 nm)에서의 흡수는 Ag 나노입자의 표면 플라즈몬 공명으로 인해 유기물 제거를 위한 가시광 활성 광촉매로서의 추가 증거입니다[23, 29, 37]. 밴드갭은 Tauc 방정식에 의해 계산되었습니다. αhv =디 (hv − 예 )ⁿ (αhν의 플로팅으로 )² 대 hv 선형 맞춤을 외삽하여 밴드는 GO의 경우 4.10 eV, Ag/rGO의 경우 3.98~3.50 eV로 계산되었으며, 밴드갭은 그림 4b에서 명확하게 관찰된 Ag NP의 더 높은 도핑으로 점차 감소했습니다.

<그림>

아 GO 및 Ag-rGO의 UV-Vis 스펙트럼. ㄴ 밴드갭 비교

FESEM 및 HR-TEM을 통해 GO 및 Ag-rGO 샘플의 형태학적 특성이 그림 5에 나와 있습니다. GO 이미지(그림 5a)는 얇은 커튼과 유사한 풍부한 주름과 푹신한 형태를 가진 몇 개의 미세 구조 층을 보여줍니다. Ag@rGO의 이미지(그림 5b-d)는 2D 결정 구조로 인해 그래핀의 열역학적 안정성을 견디는 데 필수적인 작은 변동이 있는 투명 나노시트가 부분적으로 접히고 말리는 것을 보여줍니다. 나노시트는 매우 깨끗하고 매끄럽고 물결 모양의 구조를 나타내며 이 기능은 rGO 시트의 응집을 방지하고 HR-TEM 이미지에서 시각화할 수 있는 그래핀 시트에 Ag NP의 부착을 촉진하기 위해 표면을 유지하는 데 중요할 수 있습니다[36]. 해당 HR-TEM 이미지(그림 6a₁ -d₁ ), GO는 깨끗한 표면적을 갖는 층상 및 시트형 구조를 나타냅니다(그림 6a₁ ), Ag-rGO 샘플에서(그림 5b₁ ) sp³ 의 높은 비율로 인한 왜곡으로 인해 스택 폴드가 거의 없습니다. CO 결합 [29]. Ag NP의 농도가 증가함에 따라 (그림 6 c₁ , d₁ ) 이미지는 평균 입자 크기가 10-12 nm인 rGO 시트의 표면에 구형 Ag NP가 잘 분산되고 균일하게 산란되는 것을 보여줍니다[23, 29]. 도 6에서 d₁ Ag의 농도가 더 높을수록(10%) 도핑된 종에서 명백한 입자 응집이 증가합니다.

<사진>

(아 -d , a ₁ -d ₁ ) GO 및 Ag/rGO의 FESEM 및 HR-TEM 이미지(a , a ₁ ) 이동 (b , b ₁ ) 0.050:1 (c , ㄷ ₁ ) 0.075:1 및 (d , d ₁ ) 0.10:1

<그림>

아 -d Ag-rGO의 HR-TEM 이미지에서 d-간격(a ) 0.025:1 (b ) 0.050:1 (c ) 0.075:1 (d ) 0.10:1

Ag/rGO 샘플의 최대 5 및 10 nm d-spacing의 초고해상도 이미지를 그림 6a-d에서 명확하게 관찰할 수 있습니다. 원으로 표시된 영역은 Ag 나노결정의 격자 간격이 약 0.235 nm인 Ag NP의 존재를 나타냅니다[23, 29].

광발광(Photoluminescence, PL) 분석은 전자-정공 쌍의 수명, 이동 및 트래핑을 조사하고 그래핀 나노구조 간의 상호작용과 광촉매 반응에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하기 위해 수행되었습니다(그림 7a)[39, 40]. 흑연은 제로 밴드갭으로 인해 발광 특성을 나타내지 않습니다. 그럼에도 불구하고 나노 크기까지 크기가 감소하면 양자 구속 효과에 의해 밴드갭이 넓어진다. GO 및 rGO의 나노시트에서 산화물 그룹과 탄소 공석은 그래핀을 변경하여 사슬 및 클러스터의 크기 또는 비율에 영향을 받을 수 있는 반도체 거동 및 발광 현상을 나타내는 탄소 나노 클러스터를 형성합니다[40, 41]. PL 스펙트럼에서 발광 피크는 ~ 330, 565 및 608 nm에 위치했으며 이는 sp² 의 국부 상태에서 전자-정공 쌍 재결합에 기인합니다. sp³ 과 통합된 탄소 클러스터 행렬. 따라서 rGO 발광은 sp² 사이의 경로 침투를 촉진하는 산소 작용기가 사라졌기 때문입니다. 클러스터 [40]. ~ 565 nm에서 상당한 피크가 감소하고 sp² 되는 GO 산화물 작용기의 환원이 있는 rGO의 경우 급격히 감소 탄소 클러스터가 동시에 확장됩니다[41].

<그림>

아 PL 스펙트럼. ㄴ 준비된 샘플의 라만 스펙트럼. ㄷ 라만 스펙트럼의 확대/축소 영역

라만 분광법은 그림 7b, c에 나타난 바와 같이 규칙적이고 무질서한 탄소 구조를 구별하기 위해 대조군 샘플과 Ag@rGO의 전자 및 구조적 특성을 조사하기 위해 배포되었습니다. GO의 경우 ~ 1340 및 ~ 1590 cm⁻¹ 에 두 개의 밴드가 있습니다. D 및 G 밴드로 각각 할당됩니다. D 밴드는 A_1g로 k 포인트 포논의 호흡 모드에 할당됩니다. sp³ 의 대칭 및 밴드 탄소 원자; G 밴드는 sp² 의 특징적인 피크를 나타냅니다. 탄소의 대칭성과 결정성을 드러내고 E_2g를 도입한 하이브리드 구조 탄소 원자의 포논 산란 [32, 33, 36]. 더욱이, D 밴드는 표면 결함에 명백하고 구조적 결함은 탄소 기저면이 있는 부착된 하이드록실 및 에폭사이드 기능 그룹으로 인해 발생합니다[36]. G 밴드는 기존의 1차 라만 산란 프로세스에서 유래한 그래핀의 유일한 라만 모드이며 E_{2g를 갖는 평면 내 영역 중심, 이중 축퇴 포논 모드(횡방향(TO) 및 종방향(LO) 광학)에 해당합니다.} 대칭 [42]. 1338 cm⁻¹ 에서 관찰된 Ag-rGO 라만 스펙트럼의 경우 (D 밴드), 1583 cm⁻¹ (G 밴드) 및 2682 cm⁻¹ (2D 밴드) 2900 cm⁻¹ 에 중심에 추가 피크가 있습니다. (D + G 밴드) 그림 7b, c에서 조합 산란으로 인한 무질서를 나타내는 [31, 35, 42,43,44,45]. D 및 2D 모드는 그래핀의 Brillouin 영역(BZ)에 있는 동등하지 않은 k 지점 간의 2차 이중 공진 프로세스에서 비롯됩니다. 전화 격자 진동 과정; 그럼에도 불구하고 그림 7c의 D 밴드와 같은 결함과 관련이 없습니다[35, 41]. 환원 중 GO의 라만 스펙트럼에서 G 및 D 밴드의 상대적 강도 변화는 일반적으로 전자 접합 상태의 변화로 지정됩니다. 이 변경은 sp² 수가 증가함을 의미합니다. GO의 환원에 따른 원자 영역 [46]. D 대 G 밴드의 강도 비율은 흑연 층의 무질서 정도를 정의합니다. 나_디 /I_G =0.87 도핑된 무료 샘플(GO), I_D /I_G =Ag 도핑된 샘플의 경우 1.15 및 비율 증가는 sp² 의 평균 크기 감소를 나타냅니다. Ag@rGO 합성 후 탄소 도메인, 2D와 G 밴드 사이의 강도 비율(I_2D /I_G ) 1.69는 rGO의 전자 농도를 조사하는 데 사용되었습니다[31, 32, 35, 47].

Ag 나노입자는 반도체 물질에 도핑될 때 서로 다른 일함수로 인해 접촉 전위차를 발생시킨다. 이 전위차를 쇼트키 장벽이라고 합니다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 평형상태에 도달한 후 접촉이 형성될 때 밴드 굽힘은 금속의 일함수의 상대에너지(ϕ_M ) 및 반도체(ϕ_B ) 구성 요소. 이 현상은 반도체에서 금속으로 광발생 전자의 방향성 이동을 유도할 수 있게 되면 전하 분리 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 즉, 전자-정공 재결합을 억제하는 효과적인 전자 포획 부위의 생성으로 이어질 수 있다[48].

<그림>

Ag로 장식된 나노시트의 질적 전자 밴드 구조

GO 및 Ag/rGO 나노시트의 광촉매 활성은 높은 표면적과 낮은 밴드갭 에너지로 인해 발생했습니다. 따라서 Ag/rGO는 MB의 광분해에서 상당한 개선을 나타내고 염료는 120분 안에 완전히 분해됩니다(그림 9b). 유사 1차 방정식은 다음 식을 사용하여 GO 및 Ag/rGO 샘플의 광촉매 효율(그림 8a)을 명시적으로 설명하는 데 사용할 수 있습니다.

$$ -\mathit{\ln}\left({C}_t/{C}_o\right)=kt $$ (9)

여기서 Co는 염료의 초기 농도이고 C _t 시간의 농도, k 흡광도 플롯(그림 9a)에 나타나는 분해 과정의 겉보기 속도 상수, 즉 k의 값 GO의 경우 약 0.1300 min⁻¹ 입니다. 그리고 k Ag/rGO의 경우 비정상적으로 증가(0.1300 min⁻¹ ~ 0.7459 분⁻¹ ). 그림 9c는 시간에 따른 % 열화의 압축을 보여주고, GO는 65% 효율과 도핑 농도에 따라 점진적인 증가를 보여줍니다. Ag/rGO(0.10:1)는 최대 100%까지 분해율(%)을 나타내며, 이는 Ag NP의 상승 효과로 인한 것일 수 있습니다[49, 50]. 마지막으로, 본 연구의 이러한 발견을 바탕으로 Ag/rGO는 유기 염료로부터 물을 정제하는데 사용할 수 있는 우수한 제품임을 시사할 수 있다.

<그림>

아 -ln(Ct/CO) 대 염료 환원에 대한 시간 스펙트럼의 플롯. ㄴ 농도비 플롯(C/C₀ ) 대 시간. ㄷ 모든 샘플의 열화(%) 비교

결론

GO는 수정된 Hummers 방법을 통해 성공적으로 얻었고 rGO는 열수 경로를 통해 Ag(2.5, 5, 7.5 및 10 wt.%)의 삽입 동안 열처리를 통해 합성되었습니다. XRD 패턴에 따르면 d-spacing(0.34 ~ 0.023 nm)의 피크 이동 및 감소는 육각형 결정 구조로 Ag 도핑 시 GO의 산화환원 반응을 가리킵니다. Ag의 대체에 따른 평균 결정자 크기 증가(4.85에서 15.6 nm)가 관찰됩니다. FTIR 스펙트럼은 650 cm⁻¹ 부근에서 투과율 피크를 확인했습니다. 이것은 혼성화된 sp² 의 지문 영역입니다. 탄소 결합은 C-H 굽힘 진동으로 할당되고 다른 부착된 작용기에 대한 정보를 나타냅니다. π에 기인한 특성 피크 –π * 및 n –π * 봉우리에서 결합 및 적색편이. 이는 UV-Vis 분광법으로 설명된 바와 같이 Ag의 존재를 지지하며, Tauc 방정식의 도움으로 계산된 증가된 도핑 비율과 함께 밴드갭 에너지(4.10 ~ 3.50 eV)의 명백한 감소입니다. 형태학적 특징은 HR-TEM을 통해 시각화된 Ag NP의 격자 간격이 ~0.235 nm, 구형 및 크기(10-12 nm)인 GO 및 Ag/rGO의 적층 층을 보여줍니다. 지역 상태 sp² 의 탄소 원자 sp³ 과 통합된 클러스터 매트릭스, rGO 및 확장된 sp² 의 경우 상당한 피크 감소 도핑 시 탄소 클러스터는 PL 스펙트럼으로 확인되었습니다. A_1g sp³ 의 대칭 D 밴드의 탄소 원자, sp² 탄소의 대칭성과 결정성을 드러내고 탄소 원자의 E2g 포논 산란과 표면 결함을 도입한 하이브리드 구조를 라만 스펙트럼을 통해 계산하였다. 광촉매 활성은 Ag/rGO(0.10:1)에 반응하여 MB 농도를 100% 분해합니다. 이러한 결과는 제조된 나노촉매가 수처리에 유해한 행동을 나타내지 않으며 폐수로부터 유기오염물질을 제거하는데 탁월한 나노촉매임을 시사한다.

데이터 및 자료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.

약어

UV-Vis:: 자외선 가시 분광법
XRD:: X선 회절
FTIR:: 푸리에 변환 적외선 분광기
EDS:: 에너지 분산 X선 분광기
SEM:: 주사전자현미경
TEM:: 투과전자현미경
JCPDS:: 분말 회절 표준 공동 위원회

FinFET Cu BEOL 공정의 금속간 유전체에 대한 플라즈마 유도 손상에 대한 테스트 패턴 설계 종양의 자기 공명 영상 유도 방사선 요법을 위한 히알루론산 기능화 가돌리늄 산화물 나노입자

나노물질