광촉매 활성 및 안정성 향상을 위한 In2O3 나노입자 하이브리드 쌍둥이 육각형 디스크 ZnO 이종구조의 열수 합성
초록
2에서 O3 서로 다른 비율의 나노 입자 하이브리드 THD(육각형 디스크) ZnO를 열수 방법으로 제작했습니다. 획득한 ZnO/In2 O3 복합 재료는 직경이 약 1μm이고 In2인 육각형 디스크 ZnO로 구성됩니다. O3 약 20–50 nm 크기의 나노 입자. 2 증가와 함께 O3 ZnO/In2의 함량 O3 복합 재료, 샘플의 흡수 밴드 가장자리는 UV에서 가시광선 영역으로 이동했습니다. 순수한 ZnO와 비교하여 ZnO/In2 O3 합성물은 태양광 조사 하에서 메틸 오렌지(MO) 및 4-니트로페놀(4-NP)의 분해에 대한 향상된 광촉매 활성을 보여줍니다. In2의 에너지 밴드 갭 구조의 적절한 정렬로 인해 O3 및 ZnO, 유형 π 이종 구조의 형성은 광 생성 전기 정공 쌍의 효율적인 분리를 향상시킬 수 있고 편리한 캐리어 이동 경로를 제공합니다.
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배경
최근 몇 년 동안 환경 오염과 에너지 부족은 인류 사회에 심각한 사회 경제적 문제를 야기했습니다. 반도체 기반 광촉매는 이러한 문제를 극복하기 위한 고효율 기술로 널리 사용되어 왔다[1,2,3]. 이러한 반도체 금속 산화물 중 산화아연(ZnO)은 뛰어난 전기적 및 광학적 특성, 저비용, 높은 생물학적 안전성, 다양한 형태 및 구조, 환경 친화성 및 유기 오염 물질의 강한 광촉매 분해 능력으로 인해 유망한 광촉매로 인식되고 있습니다. 자외선. 그러나 넓은 밴드 갭(예:3.3 eV)을 갖는 ZnO는 자외선(UV) 광에 의해서만 활성화될 수 있으며, 이는 태양 에너지에 대한 실제 적용을 제한합니다[4,5,6,7,8]. ZnO의 또 다른 주요 단점은 광촉매 반응에 대해 낮은 양자 수율을 초래하는 광유도 전자-정공 쌍의 빠른 재결합이다[9,10,11,12]. 따라서 약 43% 태양 스펙트럼을 활용하기 위해 ZnO의 흡수 가장자리를 가시광선 영역으로 확장하는 동시에 광 생성 전자-정공 쌍 재결합을 억제하는 방법은 과학자들에게 여전히 큰 과제입니다. 가시광선에서 ZnO 광촉매를 활성화하기 위한 다양한 수정 전략이 지난 몇 년 동안 감작, 반도체 커플링 및 도핑을 포함하여 사용되었습니다. 효율적인 전략은 ZnO를 다른 협대역 갭 반도체(예:CdS[13], CdSe[14], Cu2 O [15], C3 N4 [16], ZnFe2 O4 [17], Ag3 PO4 [18], CuInS2 [19], AgBr [20] 및 BiVO4 [21]) ZnO/협대역 전도체 유형 및 이종 구조를 형성합니다. 유형 II 헤테로구조의 형성은 효율적인 전하 분리를 촉진하고 효과적인 접촉 계면을 확장하며 광 흡수를 향상시키기 때문에 ZnO의 한계를 극복하기 위한 매력적인 경로로 인식되었습니다[22, 23].
2에서 O3 2.56eV의 밴드 갭을 갖는 다른 반도체를 결합하여 광 흡수 스펙트럼을 확장하는 효율적인 증감제로 입증되었습니다. 또한 ZnO의 원자가 및 전도대 정렬이 엇갈립니다[24, 25]. In2에 대한 많은 연구 O3 -ZnO 복합물은 광촉매에 의한 유기 화합물의 분해 및 수소 생성에 대해 보고되었습니다[26,27,28]. 이 결과는 In2 O3 ZnO 나노 구조에서 광 생성 전자-정공 쌍의 재결합을 현저하게 억제하여 광촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다. 우리가 아는 한, In2에 의한 ZnO 광촉매 활성 및 안정성의 제조 및 개선에 대한 보고는 거의 없었습니다. O3 나노입자 하이브리드.
이 논문에서 2 O3 다른 비율의 나노 입자 하이브리드 THD ZnO는 열수 방법으로 제작되었습니다. ZnO/In2의 미세구조 및 광학적 특성 O3 이종구조를 조사하였다. ZnO/In2의 광촉매 활성 및 광안정성 O3 합성물은 광 조사 하에서 MO 및 4-NP에 의해 평가되었습니다. 마지막으로 광학 특성, 밴드 갭 구조 및 반응성 종 반응을 기반으로 전하 이동 및 가능한 광촉매 메커니즘이 논의되고 제안되었습니다.
실험
ZnO/In의 형성2 O3 이종 구조
먼저, 0.1mol의 ZnAc 및 특정 몰의 In(NO3 )2 설계된 원자 퍼센트의 In 대 Zn(약 2.0, 5.0, 8.0, 12.0 및 15.0 원자%)을 50ml 탈이온수에 용해하여 투명한 용액을 형성했습니다. 그런 다음, 자기 교반 하에 15 ml의 트리에탄올아민(TEA)을 상기 용액에 적가하였다. 그 후, 혼합 용액을 90°C에서 4시간 동안 가열하고, 얻어진 침전물을 원심분리하고 탈이온수와 에탄올로 여러 번 세척하고 60°C의 오븐에서 건조시켰다. 최종 ZnO/In2 O3 따라서 200°C에서 1시간 동안 어닐링하여 복합재를 얻었습니다. In/Zn 몰비 0, 2, 5, 8, 12 및 15%에 따라 복합 재료는 Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3으로 표시되었습니다. , Zn-In-4 및 Zn-In-5. 비교를 위해 순수 In2 O3 동일한 조건에서 제작되었습니다.
특성화
결정 구조는 0.154178nm Cu-Kα 방사선을 사용하여 분말 X선 회절(XRD)로 연구했습니다. ZnO/In2의 형태와 크기 O3 복합재료는 전계방출 주사전자현미경(FESEM; JSM-6700F, Japan)으로 측정하였다. 화학 조성은 SEM에 장착된 X선 에너지 분산 분광기(EDS)로 분석되었습니다. 샘플의 상세한 미세 구조는 고해상도 투과 전자 현미경(FE-SEM SUPRA™ 40)으로 특성화되었습니다. 시료의 화학적 상태는 X선 광전자 분광기(XPS; PHI-5300, ESCA, USA)를 이용하여 분석하였다. 샘플의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼(UV-vis DRS)을 UV-3600 분광 광도계에서 측정했습니다. 광발광(PL; Renishaw1000, UK) 스펙트럼은 325nm에서 여기 광원으로 He-Cd 레이저를 사용하여 실온에서 측정되었습니다. •OH-포착 PL 스펙트럼은 5 * 10
−3
에서 수집되었습니다. 조사 시간이 다른 0.01M NaOH 용액을 포함하는 M 테레프탈산 용액; 여기 파장은 325nm였습니다.
광촉매 테스트
준비된 샘플의 광촉매 활성은 MO 및 4-NP의 광촉매 분해에 의해 평가되었습니다. 크세논 램프의 파장 분포는 태양광의 파장 분포와 유사했습니다. 따라서 500W 크세논 램프를 광원으로 사용했습니다. 각 광촉매 활성 측정에 대해 일반적으로 10mg의 광촉매를 50ml의 MO(5mg/l) 또는 4-NP(1mg/l) 수용액에 분산시킨 다음 어두운 곳에서 30분 동안 교반하여 흡탈착 평형. 광촉매 반응은 Xenon 램프를 태양광 광원으로 사용하여 지속적으로 교반하면서 수행하였다. 주어진 간격으로 3mL의 분취량을 샘플링하고 MO 또는 4-NP의 UV-vis 스펙트럼에서 흡수 대역(464 및 317nm)의 변화를 각각 기록하여 분석했습니다. Zn-In-4 촉매의 광안정성을 조사하기 위해 사이클 분해를 수행하였다. 이 경우 Zn-In-4를 반복적으로 사용하였고, 이를 원심분리하여 분리 및 회수하였다. 물과 에탄올로 여러 번 세척하고 60°C에서 밤새 건조시킨 후 Zn-In-4 촉매를 동일한 조건에서 후속 반응을 위해 새로운 MO 수용액(5mg/l)과 함께 재사용했습니다.
광촉매 과정에서 주요 활성 종을 조사하기 위해 트래핑 실험이 수행되었습니다. 실험 장치 및 절차는 다른 유형의 스캐빈저(1mM)를 MO 용액에 첨가한 것을 제외하고 광촉매 활성 시험의 것과 동일하였다. 여기에서 유리 하이드록실 라디칼(•OH)의 형성을 검출하기 위해 형광 기술을 사용했으며 프로브 분자로 테레프탈산(TPA)을 사용했습니다. 구체적으로, 합성된 Zn-In-4(0.025g)를 0.25mmol TPA와 1mmol NaOH의 혼합 용액 50mL에 자기 교반 하에 분산시켰다. Xenon 램프(500W) 조사 90분 후, 반응 용액의 상등액을 수집하고 여기 파장 315nm의 FP-6500 형광 분광 광도계로 검사하였다.
결과 및 토론
형태 및 위상 구조 분석
그림 1은 제작된 ZnO/In2의 SEM 이미지를 보여줍니다. O3 In2의 로딩량이 다른 합성물 O3 . 그림 1a에서 순수한 ZnO가 쌍둥이 육각형 디스크 모양을 나타냄을 명확하게 알 수 있습니다. 쌍둥이 육각형 디스크의 평균 측면 길이 값은 약 700~1000nm이고 모든 디스크의 높이는 약 300~400nm입니다. 모든 샘플이 THD 형태를 유지하고 샘플의 크기가 In2로 변경되지 않음이 그림 1에 명확하게 표시되어 있습니다. O3 콘텐츠 증가. 유일한 차이점은 In2의 양이 O3 ZnO/In2 표면의 나노입자 O3 In(NO3의 증가에 따라 합성물 증가 )3 콘텐츠. In2 O3 나노 입자는 각 THD ZnO의 표면에 균일하게 분포되어 있으며 더 높은 In2에서도 드물게 응집이 있습니다. O3 내용 샘플. ZnO/In2의 EDS 스펙트럼 O3 샘플(해당 SEM 이미지에 삽입됨)은 전도성 탄소 테이프에 분산된 샘플에 의해 검출되었습니다. 원소 아연, 산소 및 인듐이 검출되며 모든 샘플에 대한 해당 중량 및 원자 백분율이 표 1에 나열되어 있습니다.
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ZnO/In2의 SEM 이미지 O3 In2가 다른 합성물 O3 금액(a –f ). 삽입 EDS 스펙트럼에 해당하는 샘플입니다.
그림 2는 ZnO/In2의 XRD 패턴을 나타냅니다. O3 합성물. Zn-In-0 샘플의 경우 모든 회절 피크는 wurtzite ZnO 구조(JCPDS 36–1451)와 잘 일치합니다. ZnO/In2의 경우 O3 이종 구조 복합 재료의 경우 30.6, 51.1 및 60.7의 2θ 값에서 3개의 새로운 특성 피크가 나타납니다. In2 O3 (JCPDS, No. 71–2194), 각각. 그러나 ZnO/In2에서 In:Zn의 몰비가 증가함에 따라 O3 합성물, In2에 색인된 전형적인 특성 피크의 강도 O3 증가하다. 다른 불순물에 대한 특징적인 피크는 관찰되지 않아 ZnO/In2이 성공적으로 제작되었음을 확인합니다. O3 복합 재료는 순도가 높습니다.
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ZnO/In2의 XRD 패턴 O3 In2가 다른 합성물 O3 금액
형태 및 구조 정보를 추가로 얻기 위해 그림 3은 Zn-In-4 샘플의 HR-TEM 이미지를 제공합니다. 육각형 디스크 구조는 직경이 약 800nm이고 표면이 In2로 덮여 있음을 알 수 있습니다. O3 나노입자. ZnO/In2 O3 이종 구조는 쌍으로 된 육각형 디스크 ZnO 및 In2으로 구성됩니다. O3 나노 입자. 그림 3(b)는 직경 20~50nm의 나노 입자로 덮인 쌍정 육각 디스크의 가장자리를 나타냅니다. 도 3b의 백색 정사각형 영역의 HR-TEM 이미지가 도 3c에 도시되어 있고, 도 3c에서 명확하게 구별되는 계면을 관찰할 수 있다. 0.248nm의 간격은 육각형 ZnO 상의 (002) 평면의 평면간 간격과 일치합니다[12]. 왼쪽 부분은 In2를 명확하게 보여줍니다. O3 (222) 보고된 값[24]과 일치하는 간격 값이 0.285nm인 패싯. ZnO와 In2 사이의 우수한 결정질 및 날카로운 계면 O3 광 생성 전하 캐리어의 분리에 유리할 것입니다. 그림 3d는 두 세트의 구역 회절 지점으로 구성된 인터페이스의 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴입니다. 이러한 혼합 회절 패턴은 In2 O3 ZnO 육각 디스크의 계면에 있는 결정핵.
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TEM 이미지(a ) 및 HR-TEM 이미지(b , ㄷ ) Zn-In-4 샘플
XPS 분석
XPS 측정은 ZnO/In2의 표면 원소 및 화학적 상태를 추가로 식별하기 위해 수행되었습니다. O3 합성물. 조사 스펙트럼(그림 4a)은 Zn2p, In3d, O1s 및 C1s 에너지 영역의 존재를 나타냅니다. 그림 4b의 고해상도 Zn2p 스펙트럼은 1044.21 및 1021.36 eV를 중심으로 하는 두 개의 주요 피팅 피크를 보여주었으며, 이는 각각 Zn2p1/2 및 Zn2p3/2에 지정되어 ZnO의 Zn(II) 산화 상태를 나타냅니다[20]. In 3d 스펙트럼(그림 4c)과 관련하여 In 3d5/2에 기인할 수 있는 444.16 및 451.73 eV를 중심으로 하는 두 개의 특징적인 피크가 있습니다. 및 3d3/2에서 , In
3+
의 존재를 나타냅니다. ZnO/In2에서 O3 합성물 [27, 29]. O 1 s XPS 스펙트럼(그림 4d에서 비대칭 프로파일은 각각 530.06 및 531.74 eV를 중심으로 하는 두 개의 대칭 피크로 나눌 수 있습니다. 530.06 eV에 위치한 피크는 In 및 Zn( In-O 및 Zn-O). 또한 531.74 eV를 중심으로 하는 피크는 표면 흡수된 산소 종과 관련이 있습니다[26, 30]. 표면 산소 종은 1차 활성 슈퍼옥사이드 라디칼과 히드록실기를 생성할 수 있다고 기록된 많은 문서가 있습니다. 광촉매 활성을 향상시키기 위해 광유도 전자와 정공을 포획할 수 있는 라디칼[8, 31].
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Zn-In-4의 XPS 조사 스펙트럼 및 해당 고해상도 XPS 스펙트럼:(b ) Zn2p, (c ) In3d 및 (d ) O1s. 그림 4의 단위(a ),(b ),(d )는 "결속 에너지"가 아니라 "결속 에너지"여야 합니다. 교체 가능한 그림 4(a ), (b ), (d ) 첨부 파일에 표시
광학 특성
그림 5a는 얻은 ZnO/In2의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼(UV-vis DRS)을 보여줍니다. O3 합성물. 순수한 In2의 차단 파장이 차단된 반면 베어 ZnO는 고유한 넓은 밴드 갭으로 인해 385nm에서 흡수 가장자리가 있는 넓은 흡광도를 나타냅니다. O3 450nm에 위치한 나노입자 2 증가와 함께 O3 함량이 2~15at%이면 시료의 흡수 밴드 가장자리가 380nm에서 420nm로 이동하고 준비된 시료의 색상도 희끄무레한 노란색에서 밝은 노란색으로 바뀝니다. 이 결과는 In2 O3 나노 입자는 ZnO에 성공적으로 통합됩니다. 삽입된 그림은 파장이 350~420nm인 UV-vis DRS의 확대도입니다. Kubelka-Munk 방법[32]에 따르면, ZnO 및 In2에 대한 밴드 갭 에너지 값 O3 각각 3.18 및 2.75 eV로 추정됩니다[25, 33]. (F(R)hν)
1/2
의 플롯 광촉매의 대 hν는 그림 5b에 나와 있습니다.
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아 준비된 합성물 및 b의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼 순수한 ZnO 및 In2의 밴드 갭 에너지 O3 샘플
광발광(PL) 기술은 광촉매에서 광유도 전자-정공 쌍의 이동, 이동 및 분리 효율을 조사하는 데 널리 사용됩니다. 더 높은 PL 강도는 광 생성 전하 캐리어의 더 빠른 재결합 속도를 나타냅니다. 광촉매 산화환원 반응에 참여하는 광생성 전자와 정공이 적으면 광촉매 활성이 낮아집니다[15, 34, 35]. 따라서 In2의 효과를 조사하기 위해 O3 ZnO에 대한 나노 입자, ZnO/In2의 PL 방출 스펙트럼 O3 In2의 내용이 다른 합성물 O3 그림 6과 같이 325nm의 여기 파장에서 실온에서 측정되었습니다. 이 조사에서 Zn-In-0은 약 380.0nm를 중심으로 강한 UV 발광 방출 피크를 나타냅니다. UV 방출은 ZnO의 니어 밴드 에지 방출에 기인합니다. In2 수정 후 O3 , ZnO/In2의 방출 강도 O3 샘플이 크게 떨어졌습니다. 이 결과는 광유도 전자-정공 쌍의 재결합 효율이 이종접합 구조의 형성을 통해 효과적으로 억제될 수 있음을 나타낸다. 그러나 Zn-In-4 샘플은 PL 방출 피크의 강도가 가장 낮았으며, 이는 Zn-In-4가 모든 ZnO/In2에 대해 가장 높은 광촉매 활성을 가짐을 의미합니다 O3 샘플.
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ZnO/In2의 PL 스펙트럼 O3 In2가 다른 합성물 O3 금액
광촉매 활동
ZnO/In2의 광촉매 활성 O3 샘플은 모의 태양 조사 하에서 MO 및 4-NP의 분해에 의해 평가되었습니다. 그림 7에서 보듯이 MO와 4-NP의 자체 분해는 광촉매를 첨가하지 않은 상태에서 무시할 수 있는 수준이며, 이는 이 두 가지 유형의 유기 염료가 광화학적으로 안정함을 나타냅니다. 그림 7a는 ZnO/In2에서 MO의 분해 곡선을 보여줍니다. O3 시료. 태양 조사에서 Zn-In-0 광촉매의 경우 90분 후에 MO의 35%만 분해되며, 이는 더 높은 밴드 갭 에너지에 기인합니다. 이에 비해 MO의 분해율은 Zn-In-1 및 Zn-In-2 처리 90분 후 각각 약 64% 및 82%입니다. MO는 Zn-In-3로 90분, Zn-In-5로 70분, Zn-In-4 복합 광촉매로 60분 처리하면 거의 완전히 분해될 수 있습니다. 준비된 Zn-In-4에 대한 MO의 광분해를 수반하는 스펙트럼 변화의 시간적 진화는 추가 파일 1에 표시됩니다. 그림 S1. 664 nm에서 MO의 특성 흡수 피크 강도는 조사 시간이 증가함에 따라 점차 감소했으며 MO 함유 용액의 색상도 60분 반응 후 초기 레몬 옐로우에서 거의 투명한 색상으로 변화하여 MO가 완전히 분해되었음을 나타냅니다. 광촉매 과정에서. 명백한 유사 1차 동역학 방정식에 따르면, 상대 속도 상수 kapp 다른 촉매에 대한 계산 및 요약은 그림 7b에 나와 있습니다. 해당 속도 상수(k ) 0.0058, 0.010, 0.0193, 0.0450, 0.0687, 0.0584 min
−1
으로 결정됩니다. Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3, Zn-In-4, Zn-In-5에 대해 각각. 속도 상수 k는 먼저 증가하고 In2의 증가에 따라 감소한다는 것을 알 수 있습니다. O3 ZnO/In2의 함량 O3 합성물. Zn-In-4는 가장 높은 광촉매 활성을 나타냅니다. 4-NP는 ZnO/In2의 광촉매 활성을 평가하기 위한 또 다른 대표적인 표적 화합물로 선택되었습니다. O3 복합 재료 및 ZnO/In2에 의한 4-NP의 광촉매 분해 곡선 O3 합성물은 그림 7c, d에 나와 있습니다. 2에서 O3 함량이 증가하면 4-NP 분해율이 먼저 증가하고 그 다음 감소합니다. 또한, 80분의 태양광 조사 후 4-NP 제거가 거의 100%인 Zn-In-4 샘플에서 가장 높은 분해율을 얻었습니다. 속도 상수 k Zn-In-4는 Zn-In-0보다 약 12배 높습니다. 위의 분석을 바탕으로 ZnO의 광촉매 활성이 In2에 의해 크게 향상된다는 결론을 내릴 수 있습니다. O3 나노 입자 하이브리드. In2의 몰비가 증가함에 따라 O3 ZnO로의 열화 효율은 먼저 증가된 다음 감소하므로 In2의 최적 로딩량이 O3 ZnO/In2의 광촉매 활성을 향상시키는 데 중요합니다. O3 합성.
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광촉매 분해 곡선 및 MO의 동적 선형 시뮬레이션 속도 상수(a , b ) 및 4-NP(c , d ) Zn-In-0, Zn-In-1, Zn-In-2, Zn-In-3, Zn-In-4, Zn-In-5에 의한
우리 모두 알고 있듯이 구성 요소의 질량 비율은 이종 구조 광촉매 시스템에서 광촉매 성능에 큰 영향을 미칩니다[27, 36]. In2의 질량비 증가로 O3 ZnO/In2에서 O3 합성물에서 MO와 4-NP의 분해 경향에는 큰 차이가 없었고 샘플 Zn-In-4에서 최대 분해 효율을 보였다. 그러나 샘플의 PL 강도는 반대의 변동 경향을 보입니다. 이 결과는 적절한 양의 In2 O3 합성물에서 광 생성 전하 운반체의 빠른 분리에 유리하여 광촉매 활성이 향상되었습니다[5, 37].
ZnO는 유기오염물질 분해에 안정성이 떨어지는 것으로 잘 알려져 있다. 따라서 ZnO계 광촉매의 광안정성과 반복성을 조사하는 것은 광촉매 성능에 매우 중요하다. 재활용 실험은 태양광 조사 하에서 Zn-In-4에 대한 MO(그림 8a) 및 4-NP(그림 8b) 용액의 분해에 의해 수행되었습니다. MO의 분해 효율은 5주기 후에 99.7에서 82.6%로, 4-NP는 99.5에서 85.4%로 떨어집니다. 태양광 아래에서 5번의 재활용 테스트 후에 다른 염료에 대한 Zn-In-4의 효율적인 변성에 작은 변화가 있습니다. 또한, Zn-In-4의 결정 구조와 형태는 태양광 조사 하에서 5번의 재활용 테스트 전후에 눈에 띄는 변화가 없습니다. 따라서 Zn-In-4c는 유기오염물질의 광분해에 안정적이다.
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MO의 태양광 광촉매 분해에 대한 재활용 실험(a ) 및 4-NP(b ) Zn-In-4보다
제안된 광촉매 메커니즘
잘 알려진 바와 같이 광촉매의 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해서는 광촉매 과정에서 활성 종을 조사하는 것이 중요합니다. 염료의 광촉매 분해는 주로 구멍(h
+
), 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(•O2
-
) 및 하이드록실 라디칼(•OH) [19, 38]. 이러한 활성 종의 역할을 평가하기 위해 일련의 소광제가 광분해 과정에서 사용되었습니다. 벤조퀴논(BQ), 이나트륨 염 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA-2Na), 이소프로판올(IPA)은 •O2의 스캐빈저로 사용되었습니다.
-
, 광 생성 정공 및 MO 분해의 •OH. 그림 9에서 보는 바와 같이 태양광 조사 시 BQ 또는 EDTA-2Na의 첨가에 의해 Zn-In-4 복합재의 광촉매 활성이 크게 억제되어 광 발생 •O2
-
구멍은 주요 산화 종이며 MO의 분해 과정에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 광촉매 시스템에 IPA를 첨가했을 때 광분해 성능의 변화는 거의 없었으며, 이는 •OH가 광촉매 반응 시스템에 미치는 영향이 매우 작음을 시사한다. 광활성 하이드록실 라디칼(•OH)을 조사하기 위해 Zn-In-4 현탁액에 대한 OH-포착 광발광(PL) 스펙트럼(그림 9b 참조)을 수집했으며 여기에서 테레프탈산이 다음을 위한 포획 시약으로 사용되었습니다. 오. 426nm에서 방출 피크가 조명 아래에서 나타났고 방출 피크의 강도가 조명 시간에 따라 약간의 변화가 나타남이 분명했습니다[39, 40]. 결과적으로, 준비된 ZnO/In2에 대한 MO의 광촉매 분해가 추가로 확인될 수 있다. O3 합성은 주로 •O2에 의해 관리되었습니다.
-
및 h
+
오히려 •OH 태양광 조사.
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태양광 조사(a ) 및 Zn-In-4 샘플에 대한 OH-포착 PL 스펙트럼(b )
따라서 준비된 ZnO/In2의 광분해 과정에서 일어나는 광촉매 반응 메커니즘을 완전히 이해하려면 O3 합성, In2의 가전자대(VB) 및 전도대(CB)의 대역 가장자리 위치 O3 및 ZnO를 결정해야 합니다. 반도체의 경우 VB와 CB는 다음과 같은 실험식 [41]에 따라 계산할 수 있습니다.
여기서 EVB 원자가 밴드, ECB 전도대, EC 일반 수소 전극에 대한 자유 전자의 에너지(약 4.5eV 대 NHE) 및 예 반도체의 밴드갭이다. X는 반도체의 절대 전기음성도이며 이전 문헌에 따르면 X2에서 O3 및 ZnO는 각각 5.24 및 5.94 eV[27, 42]였습니다. 그림 5(b)의 결과를 바탕으로 In2의 밴드갭 에너지는 O3 및 ZnO는 각각 2.75 및 3.18 eV로 추정됩니다. 위의 방정식이 주어지면 ECB2 중 O3 및 ZnO는 각각 -0.635 및 -0.15 eV로 추정됩니다. 동안 EVB2 중 O3 및 ZnO는 각각 2.12 및 3.03 eV로 추정됩니다. 그림 10a는 ZnO/In2의 에너지 밴드 구조를 보여줍니다. O3 이종 구조. 페미 에너지 준위(Ef )/2 O3 ZnO보다 더 음수이다[33, 43]. 따라서 In2에서 페르미 에너지 준위 평형을 달성하기 위해 O3 /ZnO 이종접합형 광촉매는 광대역 반도체의 pinning 효과로 ZnO의 Fermi 준위가 제자리를 유지하는 반면 In2의 Fermi 준위는 O3 평형에 도달할 때까지 위로 이동할 수 있습니다. 태양 조사에서 In2 O3 및 ZnO가 빛을 흡수하면 전자가 여기되어 CB로 이동하고 정공은 In2의 VB에 남아 있습니다. O3 및 ZnO. In2의 CB에 있는 전자 O3 ZnO의 CB로 쉽게 이동할 수 있습니다. 동시에 ZnO의 VB에 있는 구멍이 In2의 VB로 이동합니다. O3 . ZnO의 CB에 남겨진 전자는 O2를 감소시킵니다. 산출 •O2
-
, 이는 유기 염료 분해에 대한 강력한 산화제입니다[15, 44]. In2의 VB에 저장된 구멍 O3 그림 10b와 같이 오염 물질을 직접적으로 무해한 제품으로 산화시킬 수 있습니다. 위의 분석을 바탕으로 사진 생성 h
+
및 •O2
-
광촉매 성능을 결정하는 주요 활성 종인 반면 향상된 광촉매 활성은 ZnO 및 In2의 잘 일치하는 밴드 구조에 의해 구동되는 이종접합 계면에서 광 생성 캐리어의 효율적인 분리 및 전달에 기인합니다. O3 .
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에너지 정렬의 개략도(a ) 및 ZnO/In2에서의 전하 이동 O3 태양광 조사(b )
결론
요약하자면 2에서 O3 다른 비율을 가진 나노 입자 하이브리드 THD ZnO는 열수 공정을 통해 제작되었습니다. 현저하게, 순수한 ZnO와 비교하여 제조된 ZnO/In2 O3 모의 태양광 조사에서 MO와 4-NP의 분해에 대해 훨씬 더 나은 광촉매 활성을 나타냅니다. 이는 ZnO와 In2 사이의 상승 효과에 기인할 수 있습니다. O3 , 긴밀한 접촉을 가진 최대 헤테로 구조 인터페이스와 복합 재료의 우수한 태양광 응답을 포함하여 광 생성 전하 분리 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이 작업은 이종 구조 시스템의 합리적인 설계의 중요성에 대한 통찰력을 제공하고 제어 가능한 크기와 공간 분포를 가진 효율적인 이종 구조 광촉매의 구성을 위한 잠재적인 방법을 제공할 수 있습니다.
