TiO2 이전에는 광촉매 반응의 일반적인 재료였으나 넓은 밴드 갭(3.2eV)으로 인해 전체 태양광의 4%에 해당하는 자외선만 흡수합니다. TiO2 수정 광촉매 반응 연구의 초점이 되었으며 두 개의 금속 산화물 반도체를 결합하는 것이 광촉매 향상 공정에서 가장 일반적인 방법입니다. MoO3일 때 및 TiO2 MoO3의 가전자대에서 여기된 광생성 정공, 이종 계면을 형성하기 위해 접촉 TiO2의 가전자대로 옮겨야 합니다. 광 생성된 전자-정공 쌍의 전하 재결합을 효과적으로 감소시킵니다. 이것은 쌍을 효율적으로 분리하고 광촉매 효율을 촉진할 수 있습니다. 또한, 광전류 향상은 플라즈몬 Ag 나노 입자의 강한 근거리 및 광산란 효과에 기인합니다. 이 작업에서 우리는 MoO3를 제작했습니다. -코팅된 TiO2 2단계 양극 산화 및 손쉬운 열수 방법을 통한 3D 계층 구조의 나노튜브 헤테로구조. 이 3D 계층 구조는 TiO2 나노튜브 코어 및 MoO3 쉘(TNTs@MoO3이라고 함) ), 전계 방출 주사 전자 현미경 및 X선 광전자 분광법으로 특징지어집니다.
<섹션 데이터-제목="배경">급속한 기술 발전은 에너지 수요 증가를 동반했습니다. 결과적으로 대체 에너지원에 대한 연구는 지난 10년 동안 인기를 얻었으며 많은 과학자들이 탄소 배출량이 적고 환경에 미치는 영향이 최소화된 재생 가능한 에너지원에 중점을 둡니다. 여기에는 태양 에너지[1, 2], 지열[3, 4], 조수[5], 다양한 형태의 바이오매스[6, 7]가 포함됩니다. 광촉매 물 분해는 청정 재생 에너지의 목표를 달성하기 위한 가장 직접적인 방법으로[8] 태양 에너지를 화학 에너지로 직접 변환하는 가장 많이 연구된 방법이기도 합니다. 에너지 전환 효율을 높이는 몇 가지 일반적인 방법에는 반응 면적 증가, 촉매 침착 및 2차 물질과의 합성이 포함됩니다. 예를 들어 특정 미세구조 합성[9,10,11], 촉매로 Pt 증착[12, 13], 두 가지 다른 금속 산화물 결합[14,15,16].
TiO2 나노튜브(TNT) 어레이는 넓은 표면적, 강력한 광촉매 활성 및 벡터 전하 이동 특성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다[17,18,19]. 그러나 TiO2의 실제 적용 광대역 갭(3.2eV)으로 인해 제한됩니다. 이는 전체 태양광의 4%를 차지하는 자외선만을 흡수하여 가시광선 영역에서 광촉매 활성을 크게 제한합니다. 또한 TiO2의 높은 재조합율 광촉매 활성의 효율을 떨어뜨린다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 TiO2의 흡수 가장자리를 확장하는 데 중점을 두었습니다. 질소 또는 기타 비금속을 사용한 도핑[20, 21], 귀금속으로 표면 수정[22, 23], 협대역 갭 반도체와의 결합[14,15,16]을 포함하여 가시광선 영역에 적용됩니다.
삼산화몰리브덴(MoO3 ) 높은 일함수와 우수한 정공 전도성을 갖는 p형 금속 산화물 반도체; 따라서 유기 태양 전지 및 유기 발광 다이오드에 널리 사용됩니다[24, 25]. MoO3 약 2.8eV의 밴드 갭을 가지며 20-30%의 이온 특성과 UV와 가시광선을 모두 흡수하는 능력을 가지고 있습니다[26]. MoO3의 가전자대 및 전도대 위치 둘 다 TiO2보다 낮습니다. . 따라서 TiO2 사이의 이종 접합 그리고 MoO3 전하 재결합을 감소시키고 전하 이동 과정을 촉진함으로써 광촉매 활성을 향상시킬 수 있다[27]. 가시광선 조사에서 MoO3의 가전자대에서 여기된 구멍 TiO2의 가전자대로 옮겨야 합니다. , 광생성 전자-정공 쌍의 전하 재결합을 줄이기 위해.
플라즈몬 광촉매는 최근 가시광선 조사에서 광촉매 효율의 급속한 향상을 촉진했다[28, 29]. 표면 플라즈몬은 금속-유전체 계면의 표면 전자파로, 공진파의 고감도를 위해 광학, 화학 및 생물학적 감지에 널리 사용됩니다. 표면 플라즈몬 공명 효과는 매우 강화된 전기장을 형성하기 위해 금속 표면에 국한됩니다[30]. 플라즈몬 금속 나노 입자의 특정 공진 주파수가 입사 광자의 특정 공명 주파수와 일치하면 금속 표면 근처에 강한 전기장이 형성됩니다. 또한 입사 가시광선과 여기된 플라즈몬 나노입자 사이의 조정 가능한 상호 작용은 주변 환경의 유전 상수뿐만 아니라 크기와 모양을 제어하여 달성됩니다.
현재 작업에서는 먼저 MoS2를 합성했습니다. 열수 방식으로 TNT 표면에 코팅 모스2 그런 다음 MoO3로 산화되었습니다. 간단한 어닐링 과정을 통해 (Scheme 1). 이 프로세스는 MoO3의 높은 적용 범위를 가능하게 했습니다. 고도로 정렬된 구조를 가진 나노크기 입자. 광촉매 물 분해 성능을 더욱 향상시키기 위해 표면 플라즈몬 공명(SPR) 효과를 도입했습니다.
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TiO2 인터페이스에서의 전하 분리 –MoO3 합성
TNT는 2단계 양극 산화 방법으로 제작되었습니다. 양극 산화 공정 전에 티타늄 호일을 크기로 자르고 아세톤, 에탄올, 탈이온수(DI water)에 넣고 5분 동안 초음파 진동을 가했습니다. 양극 산화는 Ti 호일을 양극으로, 탄소봉을 음극으로 하는 기존의 2전극 시스템을 사용하여 수행되었습니다. 모든 전해질은 0.3wt% 불화암모늄(NH4 F) 에틸렌 글리콜(C2) H6 O2 , EG) 5 vol% 물이 포함된 용액. 모든 과정은 상온에서 진행되었습니다.
양극 산화의 첫 번째 단계에서 Ti 호일은 60V에서 30분 동안 양극 산화되었습니다. 성장한 나노튜브는 초음파 진동에 의해 1M HCl에서 후속적으로 제거되었습니다. 그런 다음 동일한 Ti 호일이 60V에서 30분 동안 두 번째 양극 산화 공정을 거쳤습니다. 두 단계가 모두 완료된 후, 제조된 TNT를 에탄올과 탈이온수로 세척하였다. TNT는 450°C에서 4시간 동안 2°C/min의 가열 속도로 공기 중에서 어닐링되어 아나타제 TNT를 형성했습니다.
TNTs@MoO3 코어-쉘 구조는 열수법과 간단한 어닐링 공정으로 합성되었습니다. 모스2 나노시트는 다음 절차에 따라 합성되었습니다. 0.12g의 몰리브덴산나트륨(Na2 MoO4 ·2H2 O) 및 0.24g의 티오아세트아미드(TAA)를 15분 동안 격렬하게 교반하면서 80mL의 탈이온수에 용해시켰다. 그 후, 투명 용액과 그대로 성장한 TNT를 100mL 테플론 라이닝 스테인리스 스틸 오토클레이브에 옮기고 밀봉하고 3°C/min의 가열 속도로 200°C로 가열하고 24시간 동안 유지했습니다. 오토클레이브를 실온으로 냉각시킨 후, 준비한 TNTs@MoS2 탈이온수로 세척했습니다. TNTs@MoS2 TNTs@MoO3를 형성하기 위해 2°C/min의 가열 속도로 4시간 동안 450°C의 공기 중에서 어닐링되었습니다. 코어-쉘 구조.
플라즈몬 조촉매 광전극(Au/TNTs@MoO3 ) 준비된 TNTs@MoO3로 제작되었습니다. 열수법을 통한 조촉매 코어-쉘 구조, Au 나노입자의 표준 스퍼터링 증착.
FE-SEM(field emission scanning electron microscopy)과 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 시료의 미세구조와 형태를 조사하였다. 개발된 TiO2의 결합 에너지를 확인하기 위해 , MoS2 및 MoO3 광전극에는 X선 광전자 분광법(XPS)이 사용되었습니다. 마지막으로, 광촉매 반응은 1mm 직경의 스팟 크기로 532nm 레이저 조사 하에서 실온에서 3개의 단자 전위차기를 작동하여 1M NaOH 용액에서 측정되었습니다.
그림 1은 준비된 샘플의 SEM 이미지와 EDS 매핑을 보여줍니다. 그림 1a–c는 TNT, TNTs@MoS2,의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그리고 TNTs@MoO3 . 0.3wt% NH4에서 Ti 포일의 2단계 양극 산화로 얻은 TNT의 SEM 이미지 에틸렌 글리콜 용액에 함유된 F(그림 1a)는 균일한 기공 크기(100–120 nm)를 나타냅니다. 코어-쉘 구조가 MoS2로 형성된 후 열수 방법을 통해 덮인 TNT의 다공성 구조는 활성 반응 사이트를 줄이기 위해 차단되지 않았습니다(그림 1b). 그 후, TNTs@MoO3 코어-쉘 구조는 관로에서 간단한 어닐링 공정에 의해 형성되었습니다(그림 1c). 그림 1d는 Au/TNTs@MoO3의 SEM 이미지와 EDS 매핑을 보여줍니다. , Ti, O, Mo 및 Au에 대한 명확한 정보를 제공합니다. TNTs@MoO3 상단에서 관찰 가능한 섬 모양의 Au 나노 입자의 균일한 증착 , SPR 효과의 생성을 촉진합니다.
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a의 SEM 이미지 TNT, b TNT@MoS2 , ㄷ TNTs@MoO3 , 및 d Au/TNTs@MoO3 (왼쪽) 및 EDS 매핑(오른쪽)
XPS는 TNTs@MoO3의 화학적 상태를 조사하는 데 사용되었습니다. TNTs@MoS2에서 변환 후 간단한 어닐링 과정을 통해(그림 2). Ti와 O의 세 가지 특징적인 피크는 그림 2a, b에서 관찰할 수 있습니다. Ti2p1, Ti2p3, O1s 피크에서의 결합 에너지는 각각 464.6, 458.9, 530.4eV입니다. 그림 2c에서 MoS2의 화학적 조성을 나타내는 231.6eV의 Mo3d3 피크와 228.9eV의 Mo3d5 피크를 확인할 수 있습니다. TNTs@MoS2에서 . 또한 약 226eV에서 나타나는 약한 피크가 S2의 신호 피크입니다. 결합 에너지가 235.6 및 232.6eV인 그림 2d의 Mo3d3 및 Mo3d5 피크는 Mo 6+ 에 기인합니다. MoO3에서 . 따라서 XPS 조사는 스펙트럼의 적색 편이가 4가에서 6가로 Mo 원소 원자가의 변환을 반영한다는 것을 확인합니다.
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a의 XPS 분석 Ti2p, b O1, c MoS2의 Mo3d , 및 d MoO3의 Mo3d
제조된 광전극의 광촉매 수분해 성능을 532nm 레이저 조사 하에서 측정하였다. 그림 3a, b는 TNTs@MoO3의 광전류 응답(I–V 곡선)을 보여줍니다. 및 Au/TNTs@MoO3 . 결과에 따르면 TiO2 @MoO3 TiO2에서 향상된 전하 분리율로 인해 더 높은 광전류를 나타냅니다. @MoO3 이기종 인터페이스(그림 3a 참조). 또한 Au 나노 입자의 통합으로 Au/TNTs@MoO3 TNTs@MoO3보다 약 1.5배 더 높은 광전류 응답을 나타냄 -1V의 바이어스 전압에서. 그림 3c는 TNTs@MoO3의 I-T 곡선을 보여줍니다. 및 Au/TNTs@MoO3 0V의 바이어스 전압에서. 그림 3c와 같이 광전류 응답은 Au/TNTs@MoO3에서 다시 더 높았습니다. TNTs@MoO3와 비교한 구조 바이어스 전압을 인가하지 않은 광전극. Au/TNTs@MoO3의 광전류 응답 간단한 SPR 효과를 통해 강화할 수 있습니다.
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광전극의 선형 스윕 곡선 a 및 b 없이 광 조사 및 c에서의 광전류 응답 0V(광원:532nm 레이저) d 532nm 레이저 조사에서 연장된 광전류 측정. 이 다양한 광전극의 Nyquist 플롯
준비된 광전극의 광촉매 활성을 추가로 조사하기 위해 광전류 안정성과 광전극-전해질 계면에서의 전하 이동을 이해하기 위해 확장된 광전류 응답과 전기화학적 임피던스 분광법을 조사했습니다(그림 3d, e). 최적의 성능으로 광전극의 안정성 확장, Au/TNTs@MoO3 , 약 1.5시간 동안 532nm 레이저 조사에서 조사되었습니다(그림 3d). 인가 전압 0.8V에서 광전류는 초기 값의 57%로 유지되었습니다. 그림 3e는 1.23V 대 RHE 및 AC 전위 주파수 범위 10 6 에서 기록된 532nm 레이저 조사에서 테스트된 3개의 모든 광전극의 Nyquist 플롯을 보여줍니다. 532nm 레이저 조사에서 진폭이 1V인 –1Hz 결과에 따르면 Au/TNTs@MoO3에서 더 작은 반원 직경이 관찰될 수 있습니다. 전하 캐리어에 대한 더 낮은 전송 임피던스를 나타내는 샘플. TiO2 사이의 이종 계면 형성 그리고 MoO3 Au 나노 입자의 우수한 캐리어 전도 특성을 통해 전하 이동을 촉진하고 광촉매 활성을 향상시키는 것으로 확인되었습니다.
지원 정보(추가 파일 1)에서 MoS2의 라만 스펙트럼 분석을 수행했습니다. 층, TNT의 SEM 이미지의 관련 두께 및 평균 기공 크기 및 시스템의 향상 메커니즘.
이 연구에서 우리는 TNTs@MoS2를 성공적으로 제작했습니다. 2단계 양극 산화 공정과 TNTs@MoO3를 형성하기 위한 손쉬운 열수 방법에 의한 코어-쉘 헤테로구조 간단한 어닐링 과정을 통해 코어-쉘 구조. 결과에 따르면 MoO3 광전극에 코팅하면 가시 영역에서 광자의 활용도를 높일 수 있습니다. 또한, 플라즈몬 Au 나노 입자의 통합으로 순수한 TiO2에 비해 물 분해 광전류의 상당한 개선이 관찰되었습니다. 가시광선 조사에서 나노튜브. TNTs@MoO3의 에너지 밴드 엔지니어링 이종 구조는 전하 이동을 선호하고 MoO3 사이의 광생성 전자-정공 쌍 재결합을 억제합니다. 및 TiO2 , 향상된 광촉매 활성으로 이어집니다.
나노물질
초록 이종 접합을 구성하는 것은 광촉매의 광촉매 성능을 향상시키는 효과적인 전략입니다. 여기에서 우리는 ZnTiO3를 제작했습니다. /Bi4 NbO8 일반적인 기계적 혼합 방법을 통해 성능이 향상된 Cl 이종 접합. 이종 접합에 대한 로다민(RhB) 분해 속도는 개별 ZnTiO3의 분해 속도보다 높습니다. 또는 Bi4 NbO8 크세논 아크 램프 조사에서 Cl. ZnTiO3 결합 Bi4 포함 NbO8 Cl은 광 여기된 운반체의 재조합을 억제할 수 있습니다. 개선된 양자 효율은 과도-광전류 응답(PC), 전기화학적 임피던스 분광법(E
초록 최근 보고된 높은 전력 변환 효율(PCE)을 가진 페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 대부분 메조포러스 티타늄 산화물(TiO2 ) 전체 히스테리시스를 줄이는 주요 요인입니다. 그러나 메조포러스 TiO2에 대한 기존 제조 방법은 일반적으로 고온 어닐링 공정이 필요합니다. 또한 전자전도도를 높이고 캐리어 재결합을 줄이는 면에서 아직 개선할 길이 멀다. 여기에서 Nb:TiO2를 제조하기 위해 손쉬운 1단계, 현장, 저온 방법이 개발되었습니다. PSC의 스캐폴드 및 전자 수송층(ETL) 역할을 하는 조밀한 메조포러스 층. Nb:Ti
