나노물질
산업 제조
α상 적철광 광전극은 물을 분할할 수 있습니다. 이 물질은 독성이 없고 저렴하며 화학적으로 안정적입니다. 2.3 eV의 낮은 에너지 갭은 태양 에너지의 약 30%를 차지하는 550 nm보다 낮은 파장의 빛을 흡수합니다. 이전에 우리는 다면체 pseudocubic α-Fe2를 보고했습니다. O3 손쉬운 열수 경로를 사용하여 공간 전하 분리를 증가시켜 물 분해 과정에서 광촉매 활성의 광전류를 향상시키는 나노 결정. 여기에서 우리는 pseudocubic α-Fe2의 광양극에서 p-n 접합 구조를 제안합니다. O3 짧은 캐리어 확산 길이를 개선하여 광촉매 효율을 제한합니다. Fe2 위에 Zn을 도핑합니다. O3 p-형 반도체 재료의 층을 형성하기 위한 광양극; Sn은 FTO 기판에서 도핑되어 n형 반도체 재료의 층을 형성합니다. p-n 접합, n형 Fe2 O3 :Sn 및 p형 Fe2 O3 :Zn, p-n 접합의 내부 전기장으로 인한 광 흡수 및 전하 분리를 증가시킵니다.
지속 가능하고 재생 가능하며 깨끗한 에너지 경제를 구축하기 위해 태양열 구동 광전기화학(PEC) 물 분해는 효과적인 태양 연료 생산을 위한 유망한 경로를 제공합니다. 대부분의 반도체 재료는 활성 촉매 특성뿐만 아니라 합리적인 햇빛 흡수 및 변환 효율을 가지고 있습니다. 따라서 광전극의 강력한 후보입니다. 특히 적철광은 550 nm 미만의 가시광선을 효과적으로 흡수할 수 있는 2.3 eV의 낮은 에너지 갭, 무독성, 높은 화학적 안정성, 환경 친화성, 저렴한 비용으로 인해 많은 관심을 받았습니다[1,2,3, 4,5]. 그러나 α-Fe2에 대한 물 산화에 대한 PEC 성능 O3 광양극[6, 7]은 낮은 전하 전도도[8, 9]와 이동도[10, 11], 낮은 흡수 계수[8, 12] 및 빠른 전자-정공 재결합[13,14,15]으로 인해 제한됩니다. 산소 발생 반응을 억제합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 전자 구조 요소를 수정하여 빛 흡수, 물 산화 반응의 동역학 및 전하 운반체 수집 효율을 향상시키는 데 많은 접근 방식이 집중되었습니다. 예를 들어, 일부 연구에서는 적철광에 여러 유형의 이온을 도입하면 적철광 운반체 농도와 표면의 전하 이동 속도를 크게 향상시킬 수 있다고 보고했습니다[16,17,18]. 우리의 이전 연구에서 우리는 다양한 결정면에서 일함수의 차이를 사용하여 반도체에서 전자와 정공의 우선적인 이동을 촉진하는 것을 제안했는데, 이는 물 분해 과정에서 자발적인 전하 공간 분리를 개선했습니다[1, 19, 20]. 본 연구에서 우리는 이전 연구의 결과를 기반으로 광양극에 헤테로이온이 존재한다는 장점을 결합하여 물 분해 성능을 향상시키기 위해 더 나아가고자 했습니다. 두 가지 유형의 이온인 Zn과 Sn은 각각 상단과 하단에서 모양이 제어된 적철광 큐브 층에 통합되어 적철광 활성층 내에서 두 가지 유형의 이온 농도 구배 차이를 생성했습니다(그림 1). . 우리의 이전 연구에서 Sn 도핑은 포스트 어닐링 과정에서 FTO 기판에서 자발적으로 발생했으며 Zn 도핑은 광양극의 상부 표면에 아세트산 아연 용액의 전구체를 스핀 코팅하여 수행되었으며 포스트 어닐링 동안 열적으로 환원되었습니다. 이것은 반도체-전해질 계면에서 플랫 밴드 전위를 수정했습니다.
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다면체 pseudocubic α-Fe2의 광전극에서 p-n 접합의 개념 O3
의사입방 α-Fe2 O3 열수 경로를 통해 나노 결정을 제조했습니다. (012)-의사입방정 α-Fe2 합성에서 O3 나노결정, 전구체 Fe(acac)3 (2 mmol) 및 수성 NaOH(0.6 M, 20 mL)를 균일하게 격렬하게 교반하면서 에탄올(20 mL) 및 DI-물(20 mL)의 용액에 순차적으로 첨가하였다. 다음으로, 혼합 용액을 테프론 라이닝된 오토클레이브(100 mL)에 넣고 180 °C에서 24시간 동안 유지하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 생성물을 8000 rpm에서 3분 동안 원심분리하여 수집하고 n-헥산으로 여러 번 세척하였다.
이어서, 생성물을 분말로 분쇄하고 n-프로필 에탄올(n-프로필 에탄올 5 mL/분말 0.1 g)과 혼합하여 현탁액을 얻었다. Zn의 도핑 과정에서 징크 아세테이트와 에탄올(0.1 g의 징크 아세테이트 + 2 mL의 에탄올)을 혼합하여 징크 아세테이트 용액을 얻었다. 마지막으로 pseudocubic α-Fe2 O3 스핀 코팅 방법을 사용하여 광전극을 제조하고 FTO 기판에서 450°C에서 10시간 동안 소결합니다(가열 속도 =2.5°C/min). 또한, 열확산법으로 Zn 도핑을 준비하였다. 우리는 아세트산아연과 에탄올(아세트산아연 0.1 g + 99.5% 에탄올 2 ml)을 혼합하여 아세트산아연 용액을 얻은 다음 유사입방정 α-Fe2에 200μL를 떨어뜨렸습니다. O3 영화. 각 샘플의 활성 영역은 1 × 1 cm 2 입니다. , Fe2의 질량 하중 O3 약 0.2 mg이었다. 준비된 광양극은 FTO 기판에서 450 °C에서 10 시간 동안 소결되었습니다(가열 속도 =2.5 °C/min).
pseudocubic Fe2의 특성 O3 광전극은 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM; S-4800, Hitachi)과 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM; JEM-2100, JEOL)을 이용하여 측정하였다. 유사 입방체 Fe2의 에탄올 현탁액을 드롭-캐스팅하여 TEM 샘플을 준비했습니다. O3 구리 그리드에 NP. 이 Fe2의 조성과 결정도 O3 광전극은 X선 회절(XRD; D8 SSS Bruker)을 사용하여 결정되었습니다. 광유도 전하 분리에 대한 개선 사항을 연구하기 위해 광발광(PL) 분광법을 수행하여 광생성 전자-정공 쌍의 재결합 속도를 조사했습니다. 다면체 α-Fe2의 광자 흡수 특성 O3 나노결정과 이들의 플라즈몬 공명은 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis; Lambda 650S, PerkinElmer)을 사용하여 관찰되었다. 광전기화학물질은 암실에서 3전극 전기화학 전지 시스템이 있는 전기화학 분석기(CHI 6273E, CH Instruments)를 사용하여 측정되었습니다(작업 전극:적철광 박막, 기준 전극:Ag/AgCl, 상대 전극:탄소 막대). 전해질은 1 M NaOH(pH =14)였습니다. 광전기화학적 측정 과정에서 광원은 보정된 출력 밀도가 320 mW/mm 2 인 532nm 레이저 조사(녹색 고체 레이저, ALPHALAS)였습니다. 지름이 1 mm인 점 크기. 수소 생산은 가스 크로마토그래피(GC, China Chromatography GC1000TCD)를 사용하여 측정했습니다. 또한, 가스 생성물은 2 시간 동안 20 분마다 샘플링되었습니다.
그림 2는 α-Fe2의 TEM 이미지를 나타냅니다. O3 이는 얻어진 입자가 유사입방체 모양을 가지며 대략 20 nm로 측정되었음을 나타냅니다. 유사 입방체 α-Fe2 O3 (012)와 (112)면으로 구성되어 있으며, 결정학적 배향은 Fig. 2b와 c에 나타난 FFT 패턴과 고해상도 TEM 이미지를 통해 결정되었다. 이 유사입방형 나노결정은 비스듬한 평행육면체 형태를 가졌으며 두 개의 인접한 면 사이의 2면각은 86° 또는 94°였습니다. FFT 회절 패턴은 (012) 면과 (112) 면이 가장 가까웠으며, 면간 거리는 [012] 방향을 따라 3.7 Å로 표시되었습니다.
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아 pseudocubic-Fe2의 TEM 이미지 O3 NP. ㄴ pseudocubic-Fe2의 고해상도 TEM 이미지 O3 NP. ㄷ b의 FFT 패턴 α-Fe2를 나타냅니다. O3 \( \left[42\overline{1}\right] \) 투영
에 따른 NP그림 3은 pseudocubic-Fe2의 XPS 스펙트럼을 나타냅니다. O3 :Zn/Sn의 화학적 결합 상태와 전자 결합 에너지를 조사합니다. 도 3a에서 a-Fe2에 Zn의 존재 O3 XPS 스펙트럼에서 1020.6 및 1044.1 eV에 위치한 피크가 각각 Zn 2p3/2 및 Zn 2p1/2와 관련된 것으로 나타났습니다. 그림 3c에서 고해상도 Zn 2p 스펙트럼은 Zn 2p3/2의 결합 에너지가 ZnO의 일반적인 값인 Zn 2p3/2에 해당하는 1021.8 eV를 중심으로 하는 뚜렷한 피크를 나타냅니다. 이것은 Zn 도펀트가 Zn 2+ 형태로 존재함을 시사했습니다. . Zn은 Fe2 내에서 성공적으로 도핑된 것으로 입증되었습니다. O3 . 그림 3b에 따르면 a-Fe2의 Zn에서 Fe 2p3/2 및 Fe2p1/2의 XPS 스펙트럼 O3 Fe 3+ 의 결합 에너지와 일치하는 710.7 및 724.3 eV에서 피크로 적합할 수 있습니다. Fe2에서 O3 원산지.
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Zn/Sn 도핑된 p-n 유사입방정 Fe2의 X선 광전자 분광법(XPS) 분석 O3 광전극:a 조사 XPS 스펙트럼; ㄴ Fe 2p; 및 c Zn 2p
그림 4a–f는 Zn/Sn 도핑된 PN 유사입방정 Fe2의 고각 환상 암시야(STEM-HAADF) 단면 현미경 사진이 있는 주사 투과 전자 현미경을 보여줍니다. O3 FTO 코팅 유리 기판의 광전극. 보호 목적으로 TEM 샘플을 준비하는 동안 적철광 필름 표면에 Pt를 코팅했습니다. Zn, Fe, Sn 및 Si 원소 분포의 에너지 분산 분광법(EDS) 원소 맵이 각각 그림 4b–f에 나와 있습니다. 유사 입방체 Fe2 O3 NP는 FTO 코팅된 기판을 적합하게 덮는 것으로 관찰될 수 있습니다. 깊이 있는 도핑 농도 분포를 조사하기 위해 XPS 깊이 스캔을 수행했습니다. 그림 4g는 pseudocubic-Fe2에 대한 스퍼터 시간의 함수로 원소 분포의 원자 백분율(at%)을 보여줍니다. O3 :Zn/Sn 광전극, 각 층의 개략도. 이 농도 깊이 프로파일에서 우리는 Zn 2p가 상부 표면에서 가장 높은 농도(약 20%)를 나타내는 것을 관찰했으며, 이는 스퍼터 시간에 따라 감소했습니다. 또한, 50분의 스퍼터 시간에서 Zn 신호선과 교차하는 광전극에서 FTO 기판으로부터의 Sn 확산이 관찰되었다. Zn과 Sn의 완벽한 공간 분포는 Zn/Sn이 도핑된 PN pseudocubic Fe2에서 성공적인 도핑 원자 배열을 보여주었습니다. O3 광전극. 이 결과는 반응 광전류의 향상에 기여했습니다.
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Zn/Sn 도핑된 p-n pseudocubic Fe2의 단면 이미징 및 화학적 매핑 O3 광전극:a –f Zn/Sn 도핑된 PN pseudocubic Fe2 단면의 STEM 이미지 O3 광전극. 이미지에서 볼 수 있는 얇은 Pt 층이 단면 샘플 준비를 위한 집속 이온 빔(FIB) 밀링 단계를 위한 보호 층으로 샘플 위에 증착되었습니다. 지 a와 동일한 샘플에 대한 Zn, Fe, Sn 및 Si 원소 분포를 각각 보여주는 EDS 매핑
pseudocubic Fe2의 효과를 확인하려면 O3 :Zn 도핑 유무에 따른 Sn, Fe2의 흡수 스펙트럼 O3 :Sn 및 Fe2 O3 :Zn/Sn 광전극을 Fig. 5a와 같이 측정하였다. Fe2의 흡수 스펙트럼 O3 :Zn/Sn(p-n 접합) 광전극은 UV-가시광선 범위에서 더 강한 광자 흡수 교차를 나타냅니다. 또한 440 nm에서 나타나는 흡수 피크의 작은 범프가 관찰되었습니다. 이것은 아연과 철 원자 사이의 치환으로 인한 Zn NP의 흡수 피크와 일치했습니다[21,22,23]. 특히, 유사입방정 Fe2에 Zn 나노입자를 도핑한 후 흡수 스펙트럼에서 약간의 청색 편이 현상이 관찰되었다. O3 :Sn 광전극[24,25,26]. 이러한 현상은 Zn NP 도핑이 필수 반도체의 밴드갭을 높일 수 있기 때문일 수 있다[27,28,29,30,31]. 또한, 유사입방 α-Fe2의 Zn/Sn 도핑된 PN 광전극에 대해 Mott-Schottky 플롯이 수행됩니다. O3 지원 정보의 그림 S1에서 특성화되었습니다. Zn/Sn이 도핑된 유사입방정 α-Fe2의 경우 O3 , 양의 기울기와 음의 기울기가 모두 관찰되어 광전극에 p 및 n 유형 전자 거동이 있음을 의미합니다(지원 정보, 그림 S2 참조).
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아 Fe2 광전극의 흡수 스펙트럼 O3 :Sn 및 Fe2 O3 :Zn/Sn; ㄴ Fe2의 PL 분석 O3 :Sn 및 Fe2 O3 :Zn/Sn 광전극; 및 c 다양한 도핑된 Fe에 대해 수집된 J-V 스캔2 O3
유사 입방체 Fe2에서 광 생성된 전자 및 정공 쌍의 전하 이동을 추가로 조사하기 위해 O3 :Zn/Sn, p-n 접합 시스템, 이 연구는 자유 전하 캐리어의 재조합을 나타낼 수 있는 광발광(PL) 분석을 사용했습니다. 그림 5b는 여기 파장이 263 nm(4.71 eV)인 다양한 샘플의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 유사 입방체 Fe2 O3 :Zn/Sn은 약 580 nm에서 더 낮은 PL 강도를 나타냈는데, 이는 p형과 n형 반도체 재료 사이의 캐리어 확산 때문입니다. 이것은 p-n 접합 내부 전기장에 기인한 전자 및 정공 쌍 재결합의 감소를 의미합니다.
광전류 응답은 전통적인 3전극 전지 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 적철광 박막을 작업 전극으로, Ag/AgCl을 기준으로, 탄소 막대를 상대 전극으로 사용하는 석영 셀에서 설계되었습니다. 전해질은 1 M NaOH(pH =14)였습니다. 도 5c에서, 각각 Zn이 도핑된 것과 도핑되지 않은 두 개의 서로 다른 광전극이 532nm 레이저 조사 하에서 테스트되었다. 유사 입방체 Fe2 O3 :Sn 및 Fe2 O3 :Zn/Sn은 4.1 × 10 −3 의 광전류 밀도를 나타냄 및 5.3 × 10 −3 A/cm 2 , 각각 0.8 V의 바이어스 전압에서. 예상대로 흡수 스펙트럼 및 PL 측면에서 우수한 성능으로 유사 입방체 Fe2의 광전류-전압(J-V) 응답 O3 :Zn/Sn(광전류 밀도 =5.22 mA/cm 2 )은 유사 입방체 Fe2보다 약 30% 높았습니다. O3 :532nm 레이저 조사에서 Sn.
Fe2의 장기 안정성 O3 :Zn/Sn 광전극은 그림 6a에서 7 h 동안 532nm 레이저 조사에서 테스트되었습니다. pn 접합 시스템은 이전 측정에서 높은 광전류 응답을 달성했습니다. 7 h 동안 조사 후, Fe2의 현재 반응 O3 :Zn/Sn 광전극은 35% 정도만 붕괴되어 Zn/Sn이 도핑된 PN pseudocubic Fe2 O3 광전극은 강한 광전류 응답 안정성을 가지고 있습니다. 마지막으로 H2를 조사했습니다. 및 O2 이 고성능 PN 광전극의 가능한 응용을 입증하기 위한 생산; H2 비교 및 O2 물 분해로부터의 생산이 수행되었으며 Fe2에 대해 그림 6b에 나와 있습니다. O3 :Sn 및 Fe2 O3 :Zn/Sn 샘플. Fe2 O3 :Zn/Sn 광전극은 약 1200 μmol의 H2 생성 및 520 μmol의 O2 pseudocubic Fe2보다 2배 더 큰 120 min에서 O3 :스니.
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아 pseudocubic Fe2의 안정성 연구 O3 :Zn/Sn 광전극(삽입 사진:당사 테스트 시스템). ㄴ H2 제작 및 O2 pseudocubic Fe2에서 O3 :Zn/Sn 광전극
이 연구는 유사입방 Fe2에서 향상된 전하 공간 분리 효과를 성공적으로 입증했습니다. O3 :Zn/Sn 광전극, 내장된 전기장으로 인해 광전류 응답 및 물 분해 가스 제품의 성능이 크게 향상되었습니다. 또한 Fe2 O3 :Zn/Sn 광전극은 작동 7시간 동안 초기 광전류의 70% 크기를 유지하면서 유망한 장기 안정성을 나타냈습니다. 이는 지속 가능한 에너지 전환을 위한 중요한 물 분해 방식을 제공합니다.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.
나노입자
광전기화학
불소 도핑 산화주석 코팅 유리
전계 방출 주사 전자 현미경
고해상도 투과 전자 현미경
X선 회절
광발광
자외선-가시광선 분광법
가스 크로마토그래피
X선 광전자 분광법
에너지 분산 분광법
집중 이온빔
고각 환상 암시야
나노물질
초록 두 가지 다른 구조 촉진제가 있는 열수 조건에서 염화철 용액으로부터 적철광 나노입자의 성장을 제어하는 것은 사진을 매핑하기 위한 PiFM(Photo induced force microscopy)의 첫 번째 보고서를 포함하여 다양한 구조 및 분광 기술을 사용하여 연구되었습니다. 개발 중인 나노입자에 대한 구조 지시제의 지형 분포. 우리는 ~6 × 10−3으로 결정된 한계까지 인산염 이온의 농도를 사용하여 나노 입자의 모양을 제어할 수 있음을 보여줍니다. 몰. Akaganéite(β-FeOOH)는 구조 지시자가 없을 때 형성
초록 병용 요법은 임상 종양 치료의 표준 전략이었습니다. 우리는 Tetradrine(Tet)과 Cisplatin(CDDP)의 조합이 현저한 상승적인 항암 활성을 나타내지만 피할 수 없는 부작용이 치료 농도를 제한한다는 것을 입증했습니다. 두 약물의 서로 다른 물리화학적 및 약동학적 특성을 고려하여 개선된 이중 에멀젼 방법을 통해 두 약물을 함께 나노 차량에 탑재했습니다. 나노입자(NP)는 폴리(에틸렌글리콜)-폴리카프로락톤(PEG-PCL)과 폴리카프로락톤(HO-PCL)의 혼합물로부터 제조되어 CDDP와 Tet가 동시에 나노입자에 위