자외선 유기 염료 광분해용 고효율 ZnO@NiO 코어-쉘 헤테로구조

요약

탄소 섬유 천에 전기화학적 증착으로 제작된 ZnO@NiO 코어-쉘 헤테로구조가 우수한 광촉매 활성과 뛰어난 재사용성을 보입니다. 로다민 B와 메틸 오렌지 UV 유도 분해 모니터링으로 성능 평가. 순수 ZnO 나노로드, NiO 나노시트 대비 ZnO@NiO 복합체는 180분 내 메틸 오렌지 95% 분해 달성, 효율적 p-n 헤테로접합 형성으로 전하 캐리어 분리 촉진 덕분. 광전류 측정에서 ZnO@NiO 헤테로구조가 베어 ZnO 대비 8배 증가해 향상된 전자-정공 분리 확인. 복합체 3회 연속 사이클 후 90% 활성 유지로 내구성, 실용적 생존력 입증.

배경

반도체 광촉매는 환경 정화와 재생 에너지 생성 위한 녹색 기술로 부상. 널리 연구된 반도체-TiO₂, ZnO, Cu₂O, CdS, C₃N₄ 중 ZnO는 높은 전자 이동도, 조절 가능 형태, 저비용, 무독성으로 두드러집니다. 그러나 ZnO 넓은 밴드갭(3.37 eV) 자외선만 활성화, 빠른 전자-정공 재결합 광촉매 효율 제한. 또한 광부식 장기 안정성 저해. 따라서 전하 분리 개선, 분광 응답 확장이 여전히 중요.

도핑, 귀금속 적재, 헤테로구조 공학 등 다양한 접근법 탐구. 니켈 산화물은 3.5 eV 밴드갭, 높은 정공 이동도 가진 p-타입 반도체로 ZnO와 호환 격자, 타입-II 밴드 정렬 잠재력으로 매력적 파트너. 결과 ZnO@NiO 헤테로접합 재결합 억제, 효율적 전하 이동 촉진 가능, NiO/ZnO 나노파이버, 나노니들 최근 보고서서 입증. 그러나 기존 합성 경로 복잡 단계, 촉매 회수 방해, 확장성 제한.

본 연구서 탄소 섬유 천 위 간단한 전기화학적 증착법으로 ZnO@NiO 코어-쉘 헤테로구조 구축. 천 기판 촉매 쉬운 분리, 재활용 가능케 하며, 코어-쉘 구조 전하 캐리어 역학 향상, 궁극적 광촉매 성능 증진.

실험 방법

재료 제조

ZnO 나노로드 사전 세정 탄소 섬유 천 위 전기화학적 증착으로 5 mM Zn(NO₃)₂·6H₂O/5 mM HMTA 전해질서 -0.9 V(Ag/AgCl 기준), 90°C, 30분 성장. 탈수수 세척 후 60°C 24시간 건조. 조밀한 200 nm 직경 ZnO 나노로드 나타남.

NiO 나노시트 0.01 mol Ni(NO₃)₂·6H₂O 500 mL 물서 -1 V, 10분 환원 증착, 400°C 2시간 공기 중 어닐링으로 NiO 결정화.

ZnO@NiO 헤테로구조 형성 위해 ZnO 나노로드 위 NiO 층 5, 10, 15분 전기화학 증착, 각각 ZN1, ZN2, ZN3 명명. 공정 그림 1 도시.

계층적 ZnO@NiO 코어-쉘 헤테로구조 전기화학적 제작.

소재 특성 분석

형태, 결정 구조 FESEM(NoVaTM Nano SEM 250), XRD(Bruker D8 Advance), TEM(Tecnai G2 F20) 검사. ZN2 원소 조성 XPS(Thermo ESCALAB 250XI), EDS 매핑 확인. 광발광(PL) 스펙트럼 JY-630 마이크로 라만 분광계 325-nm 여기로 기록.

광촉매 활성

RhB, MO(5 mg L⁻¹) 광분해 500 W Hg 램프 UV 조사 하 모니터링. 촉매(2 cm × 1.5 cm) 20 mL 염료 용액 침지, 암실 60분 평형 후 조사. 흡광도 554 nm(RhB), 464 nm(MO) UV-Vis 분광광도계(TU-1900/1901) 실온 측정.

광전류 응답 특성 분석

광전류 0.5 M Na₂SO₄ 전해질(pH ≈ 7) 표준 3전극 셀, 10 W UV 램프 광원 사용 측정.

결과 및 논의

그림 2 ZnO 나노로드, NiO 나노시트, ZnO@NiO 복합체 XRD 패턴. ZnO 피크 2θ = 31.8°, 34.4°, 36.2°, 47.5° 육방 뷔르츠라이트 ZnO (100), (002), (101), (103) 면 대응. NiO 피크 37.0°, 42.9° 입방 NiO (111), (200) 면 매칭. 복합체서 NiO 반사 증착 시간 증가 따라 강화, ZnO 결정성 변화 없이 성공적 쉘 성장 확인.

ZnO, NiO, ZnO@NiO 복합체 XRD 패턴.

FESEM 이미지(그림 3) NiO 천 위 균일 시트형 층 형성, ZnO 매끄러운 표면 나노로드(~200 nm 직경) 성장 보여줌. NiO 증착 후 복합체 직경 증가, 10분 증착서 표면 더 조밀해 최적 NiO 피복 지시. 15분 연장 증착 NiO 시트 상호연결, XRD 데이터와 일치.

SEM 이미지 a 탄소 천, b NiO 나노시트, c ZnO 나노로드, d ZN1, e ZN2, f ZN3.

ZN2 EDS 매핑(그림 4) Zn, Ni, O 균일 분포 확인, 균질 코어-쉘 구조 지시. TEM 분석(그림 5) ZnO 나노로드(코어), NiO 나노시트(쉘) 간 명확한 계면 보여줌. HR-TEM 0.26 nm(ZnO (002)), 0.241 nm(NiO (111)) 격자 간격 보여 결정 무결성, 전하 이동 유리한 밀접 접촉 확인.

a ZnO@NiO 헤테로구조(ZN2) TEM 이미지. b ZN2 고분해능 TEM.

XPS 서베이 스펙트럼(그림 6) Zn, Ni, O, C 존재 확인. Zn 2p₃/₂ 1022.3 eV, Zn 2p₁/₂ 1045.2 eV 피크 Zn²⁺ 지시. Ni 2p₃/₂ 854.0, 856.1, 861.1 eV 피크 Ni-O 결합 대응, Ni 2p₁/₂ 873.1, 879.6 eV 피크 Ni²⁺ 상태 확인. O 1s 스펙트럼 격자 산소(529.5 eV), 표면 수산기/흡착 O₂(532.2 eV) 보여줌.

ZN2 XPS 스펙트럼. a 서베이. b O 1s. Zn 2p. Ni 2p 스펙트럼.

광촉매 성능(그림 7) ZN2가 ZnO, NiO 능가: 180분 후 UV 조사 하 RhB 95%, MO 95% 분해, 반면 ZnO, NiO 각각 ~38%, ~33%만 달성. 유사 1차 속도 상수(k) ZN2 0.01656 min⁻¹, ZnO 0.00257 min⁻¹, NiO 0.00208 min⁻¹. 10분 증착 최적 NiO 두께 표면적, 계면 접촉 균형, BET 표면적 추세(추가 파일 1)로 뒷받침.

a ZN1-ZN3, ZnO, NiO 위 RhB 상대 농도(C/C₀). b -ln(C/C₀) vs 시간. ZnO, NiO, ZnO@NiO 위 MO 상대 농도. ZN2 반복 RhB 분해.

광전류 측정(그림 8a) ZnO@NiO 복합체 현저히 높은 광전류 밀도 생성, ZN2 피크. 빠른 온/오프 응답 효율적 전하 분리 입증, 타입-II 밴드 정렬로 NiO 전도대→ZnO 전도대 전자, ZnO 원자가대→NiO 원자가대 정공 이동 기인. PL 스펙트럼(그림 8b) ZnO@NiO서 ZnO 대비 억제된 방출 보여 재결합 감소 확인.

a NiO, ZnO, ZnO@NiO UV 램프(10 W) 하 광전류 응답. b ZnO, NiO, ZnO@NiO PL 스펙트럼.

메커니즘적으로 p-n 헤테로접합 내부 전기장 생성해 광생성 캐리어 분리. 전자 NiO 전도대→ZnO 전도대 이동, 용존 O₂와 반응 초산화 라디칼(•O₂⁻) 형성. 정공 ZnO 원자가대→NiO 원자가대 이동, OH⁻ 산화 수산기 라디칼(•OH) 생성. 이들 반응성 종 유기 염료 효율적 분해 구동. 그림 9 밴드 정렬 개요도.

ZnO(n-타입), NiO(p-타입) 간 에너지 밴드 정렬.

결론

탄소 섬유 천 위 확장 가능 전기화학적 증착으로 ZnO@NiO 코어-쉘 헤테로구조 성공적 제작. 결과 복합체 RhB, MO UV 광촉매 분해 현저히 향상, 180분 95% 제거, 3사이클 후 90% 활성 유지. 우수 성능 p-n 헤테로접합 기인 빠른 전하 캐리어 분리로 광전류, PL 연구 확인. 게다가 천 기판 간편 촉매 회수 가능케 해 폐수 처리 등 환경 응용 실용적 관련성 강조.

약어

CB:

전도대

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법

MO:

메틸 오렌지

PL:

광발광

RhB:

로다민 B

SEM:

주사 전자 현미경

TEM:

투과 전자 현미경

VB:

원자가대

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절