공동3 O4 -코팅된 상업용 TiO2 분말(P25) pn 접합 광촉매는 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 기술에 의해 제조되었습니다. 구조, 형태, 밴드갭, 자외선 하에서의 광촉매 특성을 체계적으로 조사하였다. Co3의 기탁은 O4 P25 분말의 아나타제 구조와 결정자 크기를 변경하지 않고 자외선 광촉매 활성이 분명히 향상되었습니다. 공동3의 경우 O4 -코팅된 P25 분말, 미량의 Co 이온은 Co3으로 존재합니다. O4 TiO2에 부착된 나노 입자 Ti 4+ 점유 대신 분말 표면 TiO2에서의 위치 격자. 공동3 O4 -코팅된 P25 분말은 80%의 P25와 비교하여 자외선 아래에서 1.5시간 내에 메틸렌 블루에 대해 거의 100%의 향상된 광촉매 분해 효율을 나타냅니다. 광촉매 분말의 Mott-Schottky 플롯은 Co3에서 p-n 이종 접합 형성을 확인합니다. O4 -TiO2 광생성 전자-정공 분리 효율을 높이는 데 도움이 되는 나노 복합 재료. 또한 Co3 O4 코팅은 또한 P25 분말에 메틸렌 블루의 유기 염료 흡착을 촉진합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">현대 산업의 급속한 발전으로 수질 오염이 심각한 문제로 대두되고 있습니다[1, 2]. 유기 염료는 독성 효과를 나타내며 오염된 물에서 빛의 침투를 감소시킵니다[3]. 게다가, 대부분의 섬유 염료는 화학적 산화 및 기타 전통적인 폐수 처리에 대해 내성을 보입니다. 다행히 TiO2 기반 광촉매는 유기 염료에 대한 우수한 분해를 나타냅니다[4]. TiO2 낮은 독성, 높은 화학적 안정성 및 광범위한 유기 오염 물질 제거에 대한 촉매 활성으로 인해 대중적인 광촉매 재료 중 하나로 광범위하고 집중적으로 연구되었습니다 [5,6,7]. 그러나 광 생성된 전자-정공 쌍의 빠른 재결합 속도로 인해 전체 양자 효율이 상대적으로 낮습니다[8]. 게다가, TiO2의 본질적인 큰 밴드 갭 전체 태양 복사의 4% 미만을 차지하는 UV 영역으로의 광학 흡수를 제한합니다[9, 10]. 이러한 결함은 실제 적용을 방해합니다. 따라서 금속/비금속 도핑[11, 12], 염료 감작[13], 이종접합 형성[14, 15]을 포함하여 광촉매 활성을 개선하기 위한 다양한 접근 방식이 탐구되었습니다.
n형 TiO2 사이에 p-n 이종 접합을 구축하는 것이 입증되었습니다. NiO 또는 Ag2와 같은 p형 반도체 O는 광 생성된 전자와 정공의 재결합 속도를 줄이는 데 유용합니다[16,17,18]. 첫째, pn 접합은 반도체 인터페이스에서 내장 전위를 생성할 수 있습니다. 조명 아래에서 내부 전기장은 광 생성된 전자-정공 쌍의 분리 및 이동을 촉진합니다[19]. 둘째, 밴드갭이 작은 반도체는 밴드갭이 큰 촉매의 광흡수를 향상시킬 수 있다[20]. 또한 일부 반도체는 촉매의 안정성을 개선하고 표면 전기화학 반응을 촉진하기 위해 사용될 수도 있습니다[21]. 그 결과, 반도체/반도체 이종접합의 형성에 의해 광촉매 활성이 극적으로 향상될 수 있었다. Chen et al. pn 접합 NiO/TiO2 광촉매는 메틸렌 블루(MB)를 분해할 때 향상된 광활성을 보였다[22].
공동3 O4 가장 다재다능한 전이 금속 산화물 중 하나인 는 염료 열화[23, 24], 가스 센서[25], 리튬 이온 배터리[26], 저온에서의 CO 산화[27]와 같은 많은 분야에 널리 적용됩니다. , 및 H2 세대 [28]. 공동3 O4 , NiO 및 Ag2와 같은 O는 p형 반도체에 속합니다. 밴드갭(2.1eV)은 NiO(3.5eV)에 비해 상대적으로 좁습니다. 또한 Ag2보다 화학적 안정성이 우수합니다. O Ag2 때문에 O는 CO2를 흡수하는 경향이 있습니다. 공기 중에서 Ag2 형성 CO3 또는 비교적 높은 온도에서 사용하면 Ag로 분해됩니다[28]. p-n Co3 O4 /BiVO4 또는 공동3 O4 /TiO2 접합은 BiVO4의 단일 반도체보다 더 높은 광촉매 활성을 나타냄 또는 TiO2 유기 염료 제거 [29, 30].
Co3를 합성하는 데 몇 가지 방법이 사용되었습니다. O4 화학 기상 증착(CVD)[31,32,33], 플라즈마 스프레이[34] 및 플라즈마 보조 CVD(PECVD) 공정[35,36,37]과 같은 기반 나노시스템. 공동3 O4 /TiO2 p-n 접합도 함침-증착-분해 방법으로 제작되었습니다[30]. 후속 하소 및 여기가 필요하여 배기 가스가 발생할 수 있습니다.
ALD(Atomic Layer Deposition)는 전구체 증기를 사용하는 순차적인 자체 제한 및 상보적인 표면 화학 흡착 반응을 기반으로 하는 새로운 박막 증착 기술입니다. CVD, PECVD 및 화학 용액 방법에 비해 넓은 면적 균일성, 우수한 3차원 정합성, 정밀하고 간단한 막 두께 제어, 유연한 표면 개질, 낮은 공정 온도 등의 독특한 장점을 보입니다[38]. 플라즈마 화학종이 순환 증착 공정의 한 단계 동안 반응성 가스로 사용되는 PEALD(플라즈마 강화 원자층 증착)는 기판 온도 및 전구체에 대한 더 많은 자유도와 같은 열 ALD에 비해 몇 가지 장점을 보여줍니다. 최근 ALD는 반도체[39], 신에너지[40], 광촉매[41], 특히 나노물질의 표면 개질[42]과 같은 다양한 분야에서 증가하는 전망과 폭넓은 응용을 보여주고 있습니다.
여기에서 추적 Co3 O4 -코팅된 TiO2 pn접합 광촉매는 ALD법으로 제작하였다. 다단계 절차가 있는 함침-증착-분해 방법[30]과 비교하여 ALD 기술은 후속 어닐링 없이 1단계 증착 및 200°C의 낮은 처리 온도를 갖습니다. Co3의 결정 구조, 형태, 조성 및 밴드갭 O4 -코팅된 P25 분말은 다양한 분석 기술로 특성화되었습니다. Co3의 광촉매 활성 O4 -자외선(UV) 광 조사에서 메틸렌 블루(MB) 염료의 분해에서 100 및 200 주기로 코팅된 P25 분말이 깊이 조사되었습니다. 순수한 P25 분말과 달리 100사이클 Co3 O4 -코팅된 P25 p-n 접합 샘플은 뚜렷하게 향상된 UV 광촉매 효율을 나타냅니다. Co3의 가능한 광촉매 메커니즘 O4 -코팅된 TiO2 분말도 제안됩니다.
상업용 TiO2 분말(P25)은 Co3의 지지체로 사용되었습니다. O4 침적. P25 분말을 다공성 용기에 균일하게 로딩하고 PEALD 챔버(SUNALE R-200, Picosun)에 넣었다. 디카르보닐 시클로펜타디에닐 코발트(CoCp(CO)2 , Strem Chemicals, 96%)를 45°C로 유지하고 실온 산소 플라즈마를 Co3의 코발트 전구체 및 산소 공급원으로 사용했습니다. O4 증착, 각각. 고순도 산소(99.999%)를 산소 플라즈마 소스로 사용하고 아르곤(99.999%)을 캐리어 가스로, 플라즈마 파워와 O2 가스 유량은 각각 2500W 및 160sccm였습니다. 그런 다음 100- 및 200-주기 Co3 O4 PEALD에 의해 200°C에서 P25 분말에 증착되었으며, 여기서 한 주기는 0.2s CoCp(CO)2로 구성됨 투여, 6초 N2 제거, 21.5초 O2 혈장 투여 및 6초 N2 정화. 600사이클 Co3의 경우 O4 -코팅된 P25 샘플, 산소 플라즈마 대신 흐르는 산소(130sccm)를 산소 공급원으로 사용했습니다. Co 전구체 및 반응기 온도는 변경되지 않은 상태로 유지되었습니다. 따라서 600 사이클 Co3 O4 열 ALD에 의해 P25 분말에 증착되었으며, 여기서 한 주기는 2s CoCp(CO)2로 구성되었습니다. 투여, 8초 N2 제거, 5초 O2 투여 및 10초 N2 정화. 이전 작업에서 PEALD Co3 O4 탄소 나노튜브에서 낮은 증착 속도와 섬 성장 모드를 보였다[43]. 800 및 2400 주기 Co3의 두께 O4 각각 5nm와 20nm였습니다. 거친 증착 표면은 Co3로 덮였습니다. O4 나노 입자. 따라서 100 및 200 사이클 Co3 O4 P25의 증착은 여전히 핵 생성 단계에 있을 수 있으며 Co3의 형성으로 이어질 수 있습니다. O4 나노입자 코팅된 TiO2 pn 접합 구조.
Co3의 결정 구조 O4 -코팅된 P25 분말은 Cu Kα 방사선(λ =0.15418 nm)을 사용한 X선 회절(XRD, Rigaku-D/max 2000)을 특징으로 합니다. 스캔 각도 범위는 40kV 및 40mA에서 작동하는 10°~80°입니다. 표면 화학적 특징은 여기 소스로 Al Kα 방사선(1486.6 eV)을 사용하여 X선 광전자 분광법(XPS, Thermo ESCALAB-Thermo fisher K-alpha)을 통해 분석되었습니다. 모든 결합 에너지는 284.6eV에서 C 1s 피크를 참조했습니다. 광촉매 분말의 Co 원소 함량을 측정하기 위해 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS, Thermo X Series 2 ICP-MS)를 수행했습니다.
분말의 미세 구조 및 표면 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, Ultra 55, ZRISS) 및 투과 전자 현미경(TEM, FEI Tecnai G 2 )을 사용하여 특성화되었습니다. F20 S-트윈). 촉매 분말을 20분 초음파 진동으로 에탄올에 완전히 분산시킨 후 TEM 관찰을 위해 초박형 탄소박이 있는 구리 그리드에 떨어뜨렸습니다. Brunauer-Emmett-Teller(BET) 비표면적은 질소 흡착 장치(Micromeritics Tristar-3000)를 사용하여 수행되었습니다.
Co3의 광촉매 활성 O4 -코팅된 TiO2 100W UV LED 램프(UVEC-411)를 조사하여 메틸렌 블루(MB)의 분해 분말을 평가했습니다. 순환 냉각수를 사용하여 시스템 온도를 ~ 25°C로 유지했습니다. 램프는 반응 용액에서 15cm 떨어진 곳에 위치했습니다. 50mg의 촉매를 50mL MB 수용액(37.4mg/L)에 첨가했습니다. 조명 전에 혼합 용액을 빛이 없는 상태에서 3시간 동안 교반하여 흡착 평형을 달성했습니다. 각각의 주어진 조사 시간 후, 약 4mL의 혼합물을 회수하고 원심분리하여 분리하여 현탁된 고체 촉매를 제거했습니다. 분해 과정은 UV-vis 흡수 스펙트럼(UV-3600, Shimadzu, Japan)으로 모니터링하고, 잔류 MB의 농도는 664nm에서 최대 흡수를 측정하여 정량적으로 분석했습니다.
Co3의 가시광선 광촉매 활성 O4 -코팅된 TiO2 분말은 또한 수용액에서 메틸 오렌지(MO)의 분해를 통해 평가되었습니다. 420nm 차단 필터가 있는 태양열 시뮬레이터(300W Xe 램프, MircoSolar300, PerfectLight)는 가시광선 조사를 제공합니다. 잔류 MO의 농도는 464nm에서 MO의 최대 흡수를 측정하여 결정했습니다.
Mott-Schottky 플롯은 어둠 속에서 1 및 2kHz의 주파수에서 전기화학 작업 스테이션(CHI Instruments CHI760E)을 사용하여 측정되었습니다. 52밀리그램 P25 또는 200사이클 Co3 O4 -18mg의 요오드와 함께 코팅된 P25 분말을 초음파 진동을 통해 50mL의 아세톤에 분산시켰다. 그런 다음, 혼합된 슬러리를 15V에서 2분 동안 불소 도핑된 산화주석(FTO) 전도성 유리에 전기도금했습니다. 전기화학적 측정은 3전극 구성을 사용하여 실온에서 1M NaOH 전해질에서 수행되었습니다. 광촉매와 함께 준비된 대로 FTO 유리를 작업 전극으로 채택했습니다. 백금 메쉬(1cm x 2cm)와 Ag/AgCl을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용했습니다. MB, P25 및 200사이클 Co3의 등전점(IEP) O4 -수용액에서 코팅된 P25는 Zeta 전위 측정(Malvern Zetasizer, Nano ZS 90 zeta)을 사용하여 결정되었습니다.
XRD는 샘플의 상 구조를 결정하는 데 사용되었습니다. 그림 1은 순수 P25 및 200-사이클 Co3의 XRD 패턴을 보여줍니다. O4 -코팅된 P25 분말. 두 샘플 모두 표준 아나타제 TiO2의 유사한 특성 피크를 나타냅니다. (JCPDS 카드 번호:21–1272), Co3 이후 결정 구조에 명백한 변화가 없음을 시사합니다. O4 코팅. 또한 두 샘플의 결정자 크기는 Scherrer 공식에 의해 20±2nm로 추정할 수 있습니다.
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순수 P25 및 200사이클 Co3의 XRD 패턴 O4 -코팅된 P25 분말
순수한 P25 및 200-사이클 Co3의 형태 및 미세구조를 관찰하기 위해 SEM 및 TEM을 사용했습니다. O4 - 그림 2a-d와 같이 코팅된 P25 분말. 순수 P25 및 200사이클 Co3 O4 -코팅된 P25 샘플은 유사한 형태와 15-30nm의 결정자 크기를 보여줍니다(그림 2a, b). 가우스 곡선에 맞출 수 있는 그림 2e, f에 표시된 것처럼 나노 입자 크기 분포도 계산되었습니다. 순수 P25 및 200-사이클 Co3의 결정자 크기의 계산된 평균값 O4 -코팅된 P25 분말은 각각 ~ 25.8 및 ~ 26.2 nm이며, 이는 SEM 관찰에서 더 작은 나노입자를 쉽게 무시하기 때문에 XRD 결과보다 약간 큽니다. 이 나노 입자는 함께 뭉쳐서 50~100nm의 더 큰 클러스터를 형성합니다. 도 2c의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지에서 국부 확대 잘 결정화된 TiO2 투명한 격자 무늬가 있는 나노결정은 순수한 P25 분말에서 볼 수 있습니다. 200 주기 PEALD Co3 이후 O4 , 우리는 더 큰 결정질 TiO2에 위치한 일부 작은 비정질 나노입자를 눈에 띄게 식별할 수 있습니다. 그림 2d에서 화살표로 표시된 것처럼 직경이 2-3nm인 표면. 우리의 이전 연구[43]에 기초하여, 이 작은 나노입자는 PEALD에서 파생된 Co3이어야 합니다. O4 섬 성장 모드. TEM 및 XRD 결과와 결합하여 Co 이온이 Co3로 존재함을 추론할 수 있습니다. O4 TiO2에 부착된 비정질 나노입자 Ti 4+ 점유 대신 분말 표면 TiO2에서의 위치 격자.
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검색엔진 마케팅(a , b ) 및 HRTEM(c , d ) 순수 P25 및 200사이클 Co3의 이미지 O4 -입자 크기 분포와 함께 코팅된 P25 분말(e , f ). 아 , ㄷ , e 순수한 P25 분말. ㄴ , d , f 200-사이클 공동3 O4 -코팅된 P25 분말
또한 PEALD Co3의 영향 O4 P25의 비표면적에 대해서도 조사하였다. BET 표면적은 112.6 및 104.0m 2 입니다. /g 순수 P25 및 Co3 O4 -코팅된 P25 분말, 각각 Co3 O4 P25 분말의 증착은 P25의 비표면적에 약간의 영향을 미칩니다.
XPS는 PEALD 100-cycle Co3가 있거나 없는 샘플의 화학적 조성을 조사하기 위해 수행되었습니다. O4 코팅. 두 샘플 모두 Ti 2p 및 O 1s 스펙트럼에 대해 거의 동일한 신호를 보여줍니다. 그림 3a에서 464.6 및 458.9eV의 이중선은 Ti 4+ 에 할당될 수 있습니다. 2p1/2 및 Ti 4+ 2p3/2 TiO2 값과 일치하는 5.7eV의 스핀 궤도 분할 에너지를 갖는 Ti-O 결합의 피크 . O 1s 스펙트럼은 그림 3b와 같이 두 개의 피크로 디콘볼루션될 수 있습니다. 529.9eV의 강한 피크는 O-Ti 결합에 할당될 수 있습니다. 532.2 eV에서 더 높은 결합 에너지를 갖는 약한 피크는 샘플 표면에 흡수된 OH 종에 기인합니다[44]. Co3의 O1 피크 O4 O-Ti 결합과 구별하기 어려운 ~ 529.8 eV[43]에 위치해야 합니다. Ti:O의 계산된 원자비는 약 1.00:2.13이며 기본적으로 TiO2의 조성과 일치합니다. . 그러나 100 사이클 Co3의 Co 신호 O4 -코팅된 P25 분말은 감지하기에는 너무 약합니다. Co 함량이 XPS의 검출 한계 미만일 수 있다는 사실에 기인할 수 있습니다. 따라서 ICP-MS를 사용하여 순수한 P25 및 100-사이클 Co3의 Co 함량을 결정했습니다. O4 -코팅된 P25 분말. 순수한 P25 및 100-사이클 Co3의 Co 함량이 발견되었습니다. O4 -코팅된 P25는 각각 0.13 및 3.63ppm입니다. 따라서 추적 Co3 O4 실제로 PEALD에 의해 P25 분말에 증착됩니다. 또한 XPS는 600사이클 Co3 분석에도 사용되었습니다. O4 - 열 ALD에 의해 준비된 코팅된 P25 샘플. 약한 Co 2p 스펙트럼은 ~ 0.6%의 Co 원자 백분율 함량으로 인식될 수 있습니다.
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100-사이클 Co3의 XPS 스펙트럼 O4 -코팅된 P25 분말 및 순수 P25 분말. 아 티 2p. ㄴ O 1s
그림 4a는 순수 P25 및 Co3의 실온 UV 가시광 확산 반사 스펙트럼을 기록합니다. O4 - 200 및 600 주기로 코팅된 P25 샘플. 순수 P25 및 200사이클 Co3 O4 -코팅된 P25 샘플은 거의 동일한 광 흡수 스펙트럼을 나타내지만 600-cycle Co3 O4 - 열 ALD에서 파생된 코팅된 P25 샘플은 400~700nm의 가시 범위, 특히 Co 3+ 의 d-d 전이에서 비롯된 400~500nm 영역에서 상대적으로 더 강한 흡수를 나타냅니다. 또는 공동 2+ 이온.
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아 UV 가시광 확산 반사 스펙트럼 및 (b ) 순수한 P25, 200-주기 및 600-주기 Co3의 해당 밴드 갭 결정 플롯 O4 -코팅된 P25 분말
직접 밴드갭 반도체의 경우 흡수단과 광자 에너지 사이의 관계(hν )는 다음과 같이 쓸 수 있습니다[45]:
(αhv ) 2 =A (hv − E g ) 여기서 A 는 직접 밴드 갭 반도체의 흡수 상수입니다. 흡수 계수(α)는 Kubelka-Munk 이론에 따라 산란 및 반사 스펙트럼에서 결정됩니다. 직접 밴드갭 에너지는 그림 4b에 표시된 것처럼 플롯에 대한 접선의 절편에서 추정할 수 있습니다. 200주기 Co3의 밴드갭 O4 -코팅된 P25 분말은 약 3.41±0.02 eV로 순수 TiO2와 거의 동일합니다. 분말(3.38 ± 0.02 eV), 매우 낮은 Co 로딩량(ICP-MS 기준 ~ppm)으로 인해 발생합니다. 육백주기 Co3 O4 -코팅된 P25 샘플은 상대적으로 더 높은 Co 로딩(XPS에 의해 ~ 0.6 원자%)으로 인해 2개의 밴드갭을 나타냅니다. 3.20 ± 0.03 eV의 더 큰 밴드갭은 TiO2에서 나옵니다. 반면 2.47±0.03 eV의 훨씬 작은 밴드갭은 Co3와 관련될 수 있습니다. O4 코팅. ALD 파생 Co3 O4 코팅은 Co3에서 2.3eV의 문헌 값보다 약간 더 넓은 밴드갭을 가집니다. O4 용액 기반 합성에 의한 나노스피어(~ 20nm)[46].
MB는 일반적으로 광촉매를 평가하기 위한 프로브로 사용되며 그 분해 메커니즘이 잘 알려져 있습니다. 그림 5a–c는 순수한 P25, 100주기 및 200주기 Co3가 있는 상태에서 UV 광 하에서 MB의 광촉매 분해를 보여줍니다. O4 -코팅된 P25 광촉매 각각. MB의 최대 흡수는 664nm에 있습니다. 흡수 강도는 MB의 분해에 해당하는 모든 샘플에 대해 UV 광 조사에서 시간이 지남에 따라 감소합니다. 그림 5d는 모든 샘플에 대한 광촉매 분해 곡선을 나타냅니다. 순수 P25 및 Co3 모두 O4 -코팅된 P25 분말은 UV 광선 아래에서 MB를 분해할 수 있습니다. 한편, 촉매가 없는 UV 광에서는 MB의 분해가 거의 관찰되지 않아 MB가 UV 광 하에서 안정함을 입증한다. 그러나 100 또는 200 주기 Co3 O4 -코팅된 P25 분말은 순수한 P25 분말에 비해 훨씬 더 높은 광촉매 활성을 나타냅니다. Co3의 분해 효율 O4 -코팅된 P25는 1.5시간 내에 거의 100%에 도달할 수 있지만 순수한 P25는 약 80%에 불과합니다.
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다양한 촉매를 사용한 MB 용액의 UV 가시 흡수 및 분해 곡선. 아 순수한 P25. ㄴ 100-사이클 공동3 O4 . ㄷ 200-사이클 공동3 O4 -코팅된 P25 촉매. d MB의 저하 곡선
Co3 복합 촉매의 안정성을 확인하기 위해 재활용 테스트도 수행했습니다. O4 -코팅된 P25 분말. 200사이클 Co3에서는 광촉매 효율의 저하가 관찰되지 않습니다. O4 -MB 광분해에서 3회 반복 사용 후 코팅된 P25 샘플.
Co3의 향상된 광촉매 활성 O4 -코팅된 P25 분말은 Co3 사이의 pn 접합 형성에 기인할 수 있습니다. O4 및 TiO2 . 그림 6은 200-사이클 Co3가 있거나 없는 P25의 Mott-Schottky 플롯을 기록합니다. O4 코팅. 순수한 P25 샘플은 양의 기울기를 가진 Mott-Schottky 플롯을 보여 전자 캐리어가 있는 n형 반도체를 나타냅니다. 음의 기울기를 갖는 Mott-Schottky 플롯은 정공 캐리어가 있는 p형 반도체를 의미합니다. 200-사이클 Co3의 경우 O4 -코팅된 P25 촉매의 경우 Mott-Schottky 플롯에서 유사한 값을 갖는 양수 및 음수 기울기의 공존을 동시에 관찰할 수 있으며 이는 샘플에서 pn 접합의 형성을 나타냅니다. 이것은 광 생성된 전자-정공 쌍의 분리에 도움이 될 것입니다[18, 22, 47].
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순수 P25 및 Co3의 Mott-Schottky 플롯 O4 -어두운 곳에서 1 및 2kHz의 주파수를 갖는 1M NaOH 수용액에 코팅된 P25
그림 7은 Co3의 에너지 준위와 전자-정공 이동의 개략도를 보여줍니다. O4 -TiO2 pn 접합 구조. 공동3 O4 TiO2보다 훨씬 작은 밴드 갭(~2.4 eV)을 나타냅니다. (~3.4eV). 자외선 조사시 Co3에서 전자-정공 쌍이 생성될 수 있습니다. O4 및 TiO2 . 그림 7의 에너지 준위 구조에 따르면 광 생성된 전자는 Co3의 전도대에서 이동할 것입니다. O4 TiO2로 . 대조적으로, 정공은 TiO2의 가전자대에서 주입됩니다. Co3 O4 . 그 결과 TiO2의 전도대에 고농도의 전자와 정공이 형성된다. Co3의 원자가 밴드 O4 , 각각. 광 생성된 전자와 정공의 분리로 인해 전자-정공 쌍 재결합이 효과적으로 방해됩니다. 분리된 전자와 정공은 광촉매 표면에 흡착된 반응물과 자유롭게 반응하여 광촉매 활성을 향상시킵니다. 따라서 Co3 O4 -TiO2 p-n 접합 구조는 순수한 TiO보다 더 나은 광촉매 특성을 나타냄2 .
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Co3의 에너지 준위와 전자-정공 이동의 개략도 O4 -TiO2 자외선 조사하의 pn 접합 구조
또한 MB의 흡수에 대한 등전점(IEP)의 영향을 평가하기 위해 제타 전위 측정을 이용하여 그림 8과 같이 IEP를 검출하였다. MB, pure P25, 200- 주기 Co3 O4 -수용액에서 코팅된 P25는 각각 5.37, 6.74 및 7.42로 측정되었습니다. MB 염료와 P25 또는 Co3의 pH 값 O4 -코팅된 P25 수성 현탁액은 6.68로 측정되었습니다. IEP 결과에 따르면 MB 염료는 순 음전하를 띠는 반면 두 촉매는 양전하를 띠고 있습니다. 또한 Co3 O4 -코팅된 P25 분말은 순수한 P25보다 더 많은 양전하를 가집니다. 따라서 Co3 O4 코팅은 P25에 MB의 흡착을 촉진할 수 있으며, 이는 광촉매 활성 향상에 도움이 됩니다.
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MB, P25 및 Co3의 제타 전위 O4 -pH 값의 함수로 수용액에서 코팅된 P25
마지막으로 Co3를 이용한 메틸오렌지(MO)의 광분해 시험 O4 -코팅된 P25 분말도 가시광선 조명 하에서 수행되었습니다. 200주기 Co3 O4 -코팅된 P25 샘플은 MO 분해에 대한 광촉매 활성을 나타내지 않습니다. 추적 Co3 만 존재한다는 사실에 기인 할 수 있습니다. O4 P25 표면에. 추적 Co3 O4 촉매 반응을 자극하기에 충분한 가시광선을 흡수할 수 없습니다. 따라서 우리는 600-cycle Co3를 준비했습니다. O4 - Co3를 더 많이 도입하기 위해 열 ALD로 코팅된 P25 샘플 O4 P25 분말에 나노 입자. MO 염료 분해의 광촉매 활성은 가시광선 조사(λ ≥ 420nm), 그림 9에 기록됨. 600 사이클 Co3 O4 -코팅된 P25는 120분에 ~ 26% MO의 분해와 함께 가시적인 광촉매 활성을 보여줍니다. 이것은 Co3를 고려하여 설명할 수 있습니다. O4 그림 4d[28]에서 확인된 바와 같이 좁은 밴드갭(~ 2.4 eV)으로 인해 가시광선 아래에서 나노입자 활동이 확인되었습니다.
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600-cycle Co3의 가시적 광촉매 활성 O4 -코팅된 P25 분말. 아 자외선 가시광선 흡수 및 b 가시광선 조사에서 MO 용액의 분해 곡선
요약하면 Co3 O4 -코팅된 P25 p-n 접합 분말 광촉매는 PEALD에 의해 성공적으로 준비되었습니다. 이러한 변형된 P25 분말의 구조, 형태, 구성 및 밴드갭은 체계적으로 특성화되었습니다. UV 광 하에서 MB 분해의 광촉매 활성이 깊이 탐구되었습니다. P25 분말의 아나타제 구조 및 결정자 크기는 100 및 200 주기 Co3 후에도 변하지 않습니다. O4 침적. 그러나 자외선 아래에서는 Co3 O4 -코팅된 P25 분말은 1.5시간 내에 거의 100%의 분해율을 나타냅니다. UV 광촉매 활성은 순수한 P25 분말과 비교하여 분명히 향상되었습니다. 광촉매 분말의 Mott-Schottky 플롯은 Co3에서 p-n 이종 접합 형성을 확인합니다. O4 -TiO2 광 생성 전자-정공 쌍의 분리에 유익한 나노 복합 재료. 또한 IEP 결과는 Co3 O4 코팅은 P25 분말에 메틸렌 블루의 유기 염료 흡착을 촉진할 수 있습니다. 무엇보다 ALD는 표면 개질을 통해 효과적인 p-n 접합 광촉매를 구성할 수 있는 유망하고 강력한 기술입니다.
나노물질
초록 ZnO/β-Ga2의 밴드 오프셋에 대한 Al 도핑 효과 O3 인터페이스는 X선 광전자 분광법에 의해 특성화되고 첫 번째 원칙 시뮬레이션에 의해 계산됩니다. 전도대 오프셋은 1.39에서 1.67 eV까지 다양하고, 가전자대 오프셋은 0.06에서 - 0.42 eV로 감소하여 0에서 10%까지 변화하는 Al 도핑 비율에 대해 거의 선형 의존성을 나타냅니다. 결과적으로, ZnO/β-Ga2의 계면에서 type-I 밴드 정렬이 형성됩니다. O3 이종 접합 및 AZO/β-Ga2 O3 인터페이스에는 유형 II 밴드 정렬이 있습니다. 이것은
초록 3 펄스 오존(O3)이 있거나 없는 사파이어 기판에 원자층 증착(ALD) 성장 ZnO 박막의 특성 ) 산화제 전구체 및 증착 후 열 어닐링(TA)으로 조사됩니다. ZnO 에피층의 증착 온도와 두께는 각각 180°C 및 85 nm입니다. 증착 후 열처리는 산소 분위기(O2 ) 1시간 동안 강산화제 O3 성장하는 ZnO의 증착 후 TA, 고유 변형률 및 응력은 각각 매우 낮은 배경 전자 농도(9.4 × 1015)로 0.49% 및 2.22 GPa로 감소 cm−3 ). 이것은 통합된 광발광(PL) 스펙트럼의 열 소광 분석에서 열 활
