home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

CdS Nanoparticle-Modified α-Fe2O3/TiO2 Nanorod Array Photoanode voor efficiënte foto-elektrochemische wateroxidatie

Abstract

In dit werk demonstreren we een eenvoudig opeenvolgende adsorptie- en reactieproces van ionenlagen, vergezeld van een hydrothermische methode om CdS-nanodeeltjes-gemodificeerd α-Fe2 te synthetiseren. O3 /TiO2 nanorod-array voor efficiënte foto-elektrochemische (PEC) wateroxidatie. Door CdS/α-Fe2 . te integreren O3 /TiO2 ternair systeem kan het lichtabsorptievermogen van de fotoanode effectief worden verbeterd met een duidelijk verbrede optische respons op het zichtbare lichtgebied, wat de scheiding van fotogegenereerde dragers aanzienlijk vergemakkelijkt, wat aanleiding geeft tot de verbetering van de PEC-wateroxidatieprestaties. Belangrijk is dat voor de ontworpen abnormale type II heterostructuur tussen Fe2 O3 /TiO2 , de geleidingsbandpositie van Fe2 O3 is hoger dan die van TiO2 , de fotogegenereerde elektronen van Fe2 O3 zal snel recombineren met de fotogegenereerde gaten van TiO2 , leidt dus tot een efficiënte scheiding van fotogegenereerde elektronen van Fe2 O3 /gaten van TiO2 op de Fe2 O3 /TiO2 interface, waardoor de scheidingsefficiëntie van fotogegenereerde gaten in Fe2 . aanzienlijk wordt verbeterd O3 en verbetert de efficiëntie van de door foto gegenereerde elektroneninjectie in TiO2 . Werkend als de fotoanodes van PEC-wateroxidatie, CdS/α-Fe2 O3 /TiO2 heterostructuur-elektrode vertoont verbeterde fotostroomdichtheid van 0,62 mA cm − 2 bij 1,23 V vs. omkeerbare waterstofelektrode (RHE) in alkalische elektrolyt, met een duidelijk negatief verschoven beginpotentiaal van 80 mV. Dit werk biedt veelbelovende methoden om de PEC-wateroxidatieprestaties van de TiO2 . te verbeteren -gebaseerde heterostructuur fotoanodes.

Achtergrond

Om het ernstige probleem van vervuiling en beperkte fossiele bronnen op te lossen, wordt foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing om waterstof te produceren beschouwd als een van de meest veelbelovende strategieën voor de omzetting van zonne-energie. Sinds het eerste rapport over PEC-wateroxidatie op basis van TiO2 [1], TiO2 heeft veel aandacht getrokken als de fotoanodematerialen voor PEC-wateroxidatie, vanwege de stabiele PEC-eigenschappen, sterke optische respons en geschikte energiebandpositie [2, 3]. De PEC-prestaties van ongerepte TiO2 fotoanode wordt sterk beperkt door de langzame wateroxidatiekinetiek die voortkomt uit het slechte door foto gegenereerde scheidingsvermogen van dragers en onvoldoende lichtabsorptievermogen [4, 5].

Daarom zijn er verschillende strategieën genomen om de PEC-wateroxidatieprestaties van ongerept TiO2 te verbeteren. zoals oppervlaktemodificatie [6], quantum dot-sensibilisatie en heterojunctieconstructie [7, 8]. Een efficiënte methode om de fotogegenereerde dragerscheidingsprestaties te verbeteren, is het construeren van heterogestructureerde fotoanode. Bijvoorbeeld, het construeren van heterojunctie tussen TiO2 en andere metaaloxidehalfgeleiders met aangepaste energiebandstructuren (zoals Co3 O4 /TiO2 [9] en ZnIn2 S4 /TiO2 [10, 11]) kan de scheiding van fotogegenereerde elektronen en gaten effectief vergemakkelijken; daarom PEC-watersplitsingsprestaties van de ongerepte TiO2 duidelijk kan worden verbeterd. Onder verschillende metaaloxide halfgeleiders, hematiet (α-Fe2 O3 ) wordt beschouwd als een veelbelovend fotoanodemateriaal vanwege de geschikte bandafstand (~-2,0 eV) voor het oogsten van zonlicht, uitstekende stabiliteit en lage kosten [12]. Bovendien is de theoretische vermogensconversie-efficiëntie (PCE) van α-Fe2 O3 kan 15,3% bereiken, met een fotostroomdichtheid van 12,6 mA cm − 2 bij 1,23 V vs. omkeerbare waterstofelektrode (RHE) onder de standaard zonnestraling [13]. Daarom is het construeren van α-Fe2 O3 /TiO2 heterogestructureerde fotoanode kan niet alleen de dragerscheidingsprestaties in TiO2 . verbeteren maar verleng ook effectief het lichtabsorptiebereik van TiO2 . Ondertussen, volgens recent onderzoek, α-Fe2 O3 fotoanodes hebben last van een korte elektron-gatpaarlevensduur en gatdiffusielengte (2-4 nm), wat resulteert in een hoge recombinatiesnelheid van fotogegenereerde dragers, wat de verbetering van de PEC-prestaties belemmert [12]. In dat geval, om de PEC-watersplitsingsprestaties van Fe2 . verder te verbeteren O3 /TiO2 fotoanodes, sommige halfgeleiders met smalle bandafstand, zoals CdS [14, 15] en PbS [16], kunnen worden gekoppeld om de scheiding van fotogegenereerde dragers te vergemakkelijken. Onder hen CdS/Fe2 O3 /TiO2 heterogestructureerde fotoanode wordt beschouwd als een veelbelovende keuze met een gematchte bandafstand en een uitgebreid lichtabsorptiebereik. Het transportproces van dragers kan ook effectief worden verbeterd omdat fotogegenereerde dragers snel kunnen worden gescheiden op het grensvlak van CdS/Fe2 O3 /TiO2 , waardoor de recombinatiesnelheden van de carrier sterk afnemen.

Bovendien moeten de elektrodematerialen, om een ​​geavanceerde elektrode voor PEC-watersplitsingssysteem te construeren, de kenmerken hebben zoals voldoende opvangcapaciteit voor invallend licht en tunnels voor ladingstransport. In vergelijking met algemene vlakke fotoanodes, vertonen eendimensionale (1D) nanorod (NR) array-fotoanodes goede prestaties voor het oogsten van invallend licht vanwege de verbeterde multi-verstrooiingsprocessen [17], wat zou leiden tot een verbeterde PEC-wateroxidatieprestatie. Bovendien is gemeld dat 1D NR-array ook uitstekende dragertransportprestaties vertoont, aangezien de fotogegenereerde dragers direct langs de NR kunnen transporteren, waardoor directe recombinatie van dragers aan de kristalgrens effectief kan worden vermeden [18]. Om het oppervlak van dergelijke 1D NR-arrays verder te vergroten, die meer PEC-reactieplaatsen kunnen opleveren en de PEC-prestaties kunnen verbeteren, wordt 1D NR met vertakte nanostructuren verwacht [19]. Een dergelijke geïntegreerde architectuur biedt een lang optisch pad voor effectieve lichtopbrengst, korte diffusieafstand voor uitstekend ladingstransport en een groot oppervlak voor snelle grensvlakladingverzameling, wat van groot voordeel is voor de verbetering van PEC-prestaties. Daarom zou het van bijzonder belang zijn om een ​​CdS-gemodificeerde Fe2 . te ontwerpen O3 /TiO2 heterostructuur NR-array voor PEC-wateroxidatie.

Hierin rapporteerden we een gemakkelijke opeenvolgende ionische laagadsorptie en reactie (SILAR)-hydrothermische methode om CdS-gemodificeerd Fe2 te synthetiseren O3 /TiO2 NR-array voor efficiënte PEC-wateroxidatie. UV-vis studie bevestigt de CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-array vertoont uitstekende optische responsprestaties met een duidelijk breder lichtabsorptiebereik. Verbeterd ladingoverdrachtsproces en afgenomen ladingsrecombinatiesnelheid kunnen worden aangetoond door middel van PL-spectrum en EIS-grafieken. Toegepast als de fotoanode voor PEC-wateroxidatie, CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-array vertoont een sterk verbeterde fotostroomdichtheid van 0,62 mA cm − 2 (1,23 V vs. RHE) in alkalisch elektrolyt vergeleken met ongerept TiO2 (0,32 mA cm − 2 bij 1,23 V versus RHE). Er wordt aangenomen dat de syntheseroute en de toepassing van CdS/Fe2 O3 /TiO2 De momenteel gerapporteerde NR-array is van groot belang en kan worden toegepast in andere fotovoltaïsche en foto-elektronische apparaten.

Methoden

Voorbereiding van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR Heterogestructureerde fotoanode

Synthese van TiO2 NR-array

TiO2 synthesize synthetiseren NR-array op het FTO-glas, de FTO werd in rechthoeken gesneden en ultrasoon gereinigd met achtereenvolgens gedeïoniseerd water, aceton en ethanol. Vervolgens werd de FTO in de autoclaaf gedaan die een gemengde oplossing van gedeïoniseerd water (20 ml), zoutzuur (20 ml) en titaniumisopropoxide (1,1 ml) bevatte en gedurende 6 uur bij 160 ° C gebakken. Na de reactie werd de FTO meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en ethanol en vervolgens 0,5 uur aan de lucht gegloeid bij 450 °C.

Synthese van Fe2 O3 /TiO2 NR-array

Om α-Fe2 . te laten groeien O3 op TiO2 NR, zoals verkregen TiO2 NR-array werd in een gemengde oplossing van FeCl3 . geplaatst (15 ml, 0,1 M) en NaNO3 (15 ml, 0,5 M) en vervolgens overgebracht naar de autoclaaf. Verwarmen bij 100 ° C gedurende 2 uur, de autoclaaf werd afgekoeld tot kamertemperatuur en het FTO-substraat werd meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en ethanol. Ten slotte werd het FTO-substraat gedurende 1 uur bij 450 ° C aan de lucht gegloeid.

Synthese van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR

De verkregen α-Fe2 O3 /TiO2 NR-array werd een nacht bij 50 ° C voorbehandeld met een ethanoloplossing van mercaptopropionzuur (MPA, 0,3 M) en vervolgens gewassen met ethanol om de overmaat MPA te verwijderen. Om de CdS-laag af te zetten, wordt een gemakkelijke opeenvolgende ionische laagadsorptie- en reactiemethode (SILAR) toegepast. Voorbehandelde NR-array werd achtereenvolgens 30 seconden lang ondergedompeld in vier verschillende oplossingen, waaronder Cd(NO3 )2 ·4H2 O (ethanol, 0,1 M), pure ethanol, Na2 S·9H2 O (methanol, 0,2 M) en zuivere methanol, respectievelijk. Het SILAR-proces werd vijf keer herhaald en daarna werd het substraat gewassen met methanol om het extra CdS te verwijderen.

Kenmerken van materialen

De fasestructuren werden gekarakteriseerd door X-ray poederdiffractometer (XRD) in een 2 A-bereik van 20 tot 80 °. De morfologie van de producten werd bestudeerd met veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM) gekoppelde energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS). Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -beelden werden verzameld via Tecnai 20 U-Twin-apparatuur. De absorptie- en fotoluminescentie (PL) spectra zijn getest met respectievelijk TU-1900 en Hitachi U-4100.

Foto-elektrochemische prestatiekarakterisering

De prestatie van PEC-wateroxidatie werd gekarakteriseerd met een CHI660E elektrochemisch station met een modus met drie elektroden. Het toegepaste elektrolyt bestond uit 1 M NaOH. Voor het testen werd het systeem gedurende 30 minuten met argon geborreld om het opgeloste elektrolytgas te verwijderen. De lineaire sweep voltammogrammen (LSV) en chronoamperometrische I-t curven werden opgenomen onder standaard zonlichtverlichting (100 mW cm − 2 ). Mott-Schottky-plots werden in het donker gemeten bij een wisselstroomfrequentie van 1,0 kHz.

Hierna werd de elektrodepotentiaal omgezet in de RHE-potentiaal met de Nernst-vergelijking:

$$ {E}_{\mathrm{RHE}}={E}_{\mathrm{Ag}/\mathrm{AgCl}}}+0.059\ \mathrm{pH}+{E^o}_{\mathrm{ Ag}/\mathrm{AgCl}} $$ (1)

waar E RHE was de geconverteerde potentiaal vs. RHE, E Ag/AgCl was de gemeten potentiaal versus de Ag/AgCl-elektrode, en E o Ag/AgCl = 0,1976 V bij 25 °C.

Resultaat en discussie

Structuur en morfologiekarakterisering

De fasestructuren van de gesynthetiseerde producten worden gekenmerkt door de XRD-patronen in Fig. 1. Zoals getoond in Fig. 1a, de rutiel TiO2 nanorod-arrays (NR) worden met succes gesynthetiseerd. De diffractiepieken bij 36,0°, 44,1°, 54,3°, 62,7°, 64,0°, 65,4° en 69,8° komen goed overeen met (101), (210), (211), (002), (310), (221 ), en (112) vlakken van rutiel TiO2 (JCPDS. 21-1276). Na afzetting van Fe2 O3 , kunnen de extra XRD-diffractiepieken bij 32,9 ° en 45,2 ° worden geïndexeerd met (222) en (332) vlakken van Fe2 O3 (JCPDS. 39-0238). SILAR-proces wordt toegepast om CdS-nanodeeltjes te laten groeien, de diffractiepieken bij 26,4 °, 28,2 ° overeenkomend met (002) en (101) vlakken van CdS (JCPDS. 65-3414) bevestigen de succesgroei van CdS-nanodeeltjes op Fe 2 O3 /TiO2 . Het SEM-beeld in Fig. 1b laat zien dat TiO2 NR's worden uniform gekweekt op het FTO-substraat met een diameter van 50 nm. Het NR-oppervlak is relatief glad. Na groei van Fe2 O3 op het oppervlak van TiO2 , de diameter van Fe2 O3 /TiO2 wordt groter en neemt toe tot 60 nm. Bovendien wordt het oppervlak van de NR's veel ruwer. Verdere afzetting van CdS-nanodeeltjes kan leiden tot een toename in diameter van de Fe2 O3 /TiO2 samengesteld NR. Om de elementverdeling van de verkregen CdS/Fe2 verder te bevestigen O3 /TiO2 NR, de cross-view EDS-toewijzingsbeelden worden opgenomen en weergegeven in aanvullend bestand 1:afbeelding S1, aanvullend bestand 2:afbeelding S2. Het is te zien dat Ti-, Fe-, Cd- en S-elementen gelijkmatig over de monsters zijn verdeeld.

een De XRD-patronen en b SEM-afbeeldingen van TiO2 NR, Fe2 O3 /TiO2 NR en CdS/Fe2 O3

Het HRTEM-beeld en het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR worden getoond in Fig. 2. Het is te zien dat de beide TiO2 en Fe2 O3 zijn goed gekristalliseerd en de CdS-nanodeeltjes worden gekweekt op het oppervlak van Fe2 O3 . De roosterafstand van 0,31, 0,27 en 0,21 nm kan goed overeenkomen met het (101), (222) en (210) vlak van CdS, Fe2 O3 , en TiO2 , respectievelijk (Fig. 2a). De diffractieringen van het geregistreerde SAED-patroon in Fig. 2b zijn te zien, die goed kunnen worden geïndexeerd met (101), (210) vlakken van rutiel TiO2 , (222), (332) vlakken van Fe2 O3 , en (002), (101) vlakken van CdS, respectievelijk. De TEM-resultaten komen goed overeen met de XRD-karakteriseringsresultaten.

een HRTEM-afbeelding van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR. De gemarkeerde d-afstand van 0,31 nm komt goed overeen met het (101) vlak van CdS, de d-afstand van 0,27 nm komt goed overeen met het (222) vlak van Fe2 O3 en de d-afstand van 0,21 nm komt goed overeen met het (210) vlak van TiO2 . b Geselecteerd gebied elektronendiffractiepatroon van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR, de diffractieringen komen overeen met de (002), (101) vlakken van CdS, (222), (332) vlakken van Fe2 O3 en (101), (210) vlakken van TiO2

De chemische samenstelling en valentietoestanden van de CdS/Fe2 O3 /TiO2 hybride NR's worden bestudeerd door XPS-spectra. Figuur 3a toont de onderzoeksspectra, het bestaan ​​van Ti-, Fe-, O-, Cd- en S-elementen wordt aangetoond. Het uiterlijk van element C wordt toegeschreven aan de op koolstof gebaseerde insluiting. Voor het Ti 2p XPS-spectrum in Fig. 3b kunnen deze gesplitste twee verschillende pieken bij 458,2 en 464,2 eV worden toegewezen aan Ti 2 p3/2 en 2 p1/2 van TiO2 [20]. Het XPS-spectrum van Fe 2p wordt getoond in Fig. 3c. Er zijn twee verschillende pieken bij 710,6 en 724,10 eV te zien, die goed overeenkomen met Fe 2 p3/2 en 2 p1/2 pieken van α-Fe2 O3 [21]. Het kernniveau XPS-spectrum van O 1s wordt getoond in Fig. 3d, waar de piek bij 531,2 eV wordt toegeschreven aan de Ti-O-binding tussen titanium en zuurstof, en de piek bij 531,9 eV kan worden toegeschreven aan de Fe-O-binding tussen ijzer en zuurstof [20, 21]. Afbeelding 3e toont het XPS-spectrum van Cd, dat wordt toegeschreven aan de Cd 3d5/2 bij 405,2 eV. Het XPS-spectrum van S 2P wordt getoond in Fig. 3f [22]. De middelste piek wordt gesplitst in twee pieken van S 2p1/2 en 2p3/2 bij 161,5 en 162,6 eV [22].

een XPS-spectra van CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-voorbeeld, b XPS-spectra van Ti 2p inclusief Ti 2p1/2 en Ti 2p3/2 , c XPS-spectra van Fe 2p inclusief Fe 2p1/2 en Fe 2p3/2 , d XPS-spectra van O 1s inclusief Fe–O binding en Ti–O binding, e XPS-spectra van Cd 3d5/2 , en f XPS-spectra van S 2p inclusief S 2p1/2 en S 2p3/2

Figuur 4a toont de absorptiespectra van verschillende foto-elektroden. TiO2 vertoont een typische absorptiebandrand bij 400 nm, die kan worden toegeschreven aan de intrinsieke bandgapabsorptie van TiO2 (3,2 eV). Na koppeling met Fe2 O3 , Fe2 O3 /TiO2 vertoont verbeterde absorptie in het zichtbare lichtgebied bij ongeveer 540 nm. De verlenging van de rand van de absorptieband is te wijten aan de zichtbaar-gevoelige component van Fe2 O3 (2,0–2,2 eV). Na verdere modificatie van CdS-nanodeeltjes kan de lichtabsorptierand verder worden uitgebreid tot 580 nm. Het bevestigt dat het koppelen van TiO2 met Fe2 O3 en CdS kan de lichtabsorptie-eigenschap effectief afstemmen op het zichtbare lichtgebied. Fotoluminescentie (PL) spectrum wordt toegepast om de invloed van opname van CdS en Fe2 te bestuderen O3 in de CdS/Fe2 O3 /TiO2 hybride op het transport- en recombinatiegedrag van fotogegenereerde dragers. Hoe lager de intensiteit van de PL-piek, hoe hoger de scheidingsefficiëntie van fotogegenereerde dragerparen in de monsters. Figuur 4b toont de PL-spectra van TiO2 , Fe2 O3 /TiO2 , en CdS/Fe2 O3 /TiO2 monsters. Het is duidelijk dat Fe2 O3 /TiO2 NR bereikt een lagere recombinatiesnelheid van dragers dan ongerepte TiO2 , en CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR behaalt de beste vervoersprestaties.

een UV-vis absorptiespectra en b PL-spectra van TiO2 NR, Fe2 O3 /TiO2 NR en CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-voorbeelden

Om deze conclusie verder te bevestigen, worden de picoseconde opgeloste fluorescentie tijdelijke plots getest en weergegeven als aanvullend bestand 3:figuur S3. De gemiddelde levensduur τ wordt berekend volgens τ = (B1 τ1 [2] + B 2 τ 2 [2])/(B1 τ1 + B2 τ2 ) en de tijdconstante van de fluorescentietransiënten bij 511 nm wordt vermeld in het aanvullende bestand 4:Tabel S1 [23]. Het is te zien dat na het wijzigen van de ongerepte TiO2 met Fe2 O3 , wordt de levensduur van de fotogegenereerde drager verlengd. In combinatie met CdS kan de levensduur van de drager verder worden verlengd. Dit resultaat toont duidelijk aan dat de prestatie van de ladingsscheiding effectief kan worden verbeterd door CdS/Fe2 . te vormen O3 /TiO2 meervoudige kruising.

Het mogelijke dragertransportproces wordt geïllustreerd in Fig. 5. In de CdS/Fe2 O3 /TiO2 ternair systeem, omdat zowel de geleidingsbandpositie als de valentiebandpositie van CdS hoger zijn dan die van Fe2 O3 , zullen de foto-geïnduceerde elektronen in CdS worden getransporteerd naar de geleidingsband van Fe2 O3 , terwijl de fotogeïnduceerde gaten in de valentieband in Fe2 O3 wordt naar CdS getransporteerd. Voor de ontworpen abnormale type II heterostructuur tussen Fe2 O3 /TiO2 , de geleidingsbandpositie van Fe2 O3 is hoger dan die van TiO2 . Onder zonlicht zullen foto-geëxciteerde elektron-gat-paren beide genereren in TiO2 en Fe2 O3 . Fotogegenereerde elektronen in de geleidingsband van Fe2 O3 gaat onmiddellijk naar de valentieband van TiO2 om te recombineren met de fotogegenereerde gaten, waardoor de scheidingsefficiëntie van fotogegenereerde gaten in Fe2 aanzienlijk wordt verbeterd O3 en verbetert de efficiëntie van de door foto gegenereerde elektroneninjectie in TiO2 [24, 25]. Het impliceert dat de koppeling van TiO2 met Fe2 O3 en CdS kan de recombinatiesnelheid van de fotogegenereerde dragerparen effectief verminderen. Ondertussen zijn de fotogegenereerde elektronen in TiO2 ga naar de tegenelektrode waar de reductiereactie plaatsvindt. Dus de abnormale type II heterostructuur tussen Fe2 O3 /TiO2 speelt een belangrijke rol bij de verbeterde prestatie van PEC-wateroxidatie.

De relatieve bandposities van CdS/Fe2 O3 /TiO2 ternair systeem

Figuur 6 toont lineaire sweep-voltammogrammen (LSV) en chronoamperometrische I-t krommen van CdS/Fe2 O3 /TiO2 , Fe2 O3 /TiO2 , en TiO2 monsters. Zoals getoond in Fig. 6a, neemt de fotostroomdichtheid van fotoanodes onder verlichting geleidelijk toe na koppeling met α-Fe2 O3 en CdS-nanodeeltjes, en de CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-monster vertoont de grootste fotostroomdichtheid van 0,61 mA cm − 2 bij 1,2 V versus RHE, wat bijna twee keer zoveel is als TiO2 steekproef. Ik-t krommen met een biaspotentiaal van 1,2 V versus RHE onder gehakte verlichting worden getoond in Fig. 6b, het is te zien dat de monsters uitstekende stabiliteit en goede optische responseigenschappen blijven onder gehakte verlichting. CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-monster behoudt een fotostroomdichtheid van ongeveer 0,6 mA cm − 2 , wat in overeenstemming is met de LSV-curves.

een LSV-curven van TiO2 NR, Fe2 O3 /TiO2 NR en CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-monsters van verlichting in 1M NaOH, b chronoamperometrische I-t krommen bij een bias-potentiaal van 1,2 V onder gehakte verlichting

EIS-meting wordt uitgevoerd onder verlichting en de Nyquist-plots worden getoond in Fig. 7a en Aanvullend bestand 5:Figuur S4. Ze tonen aan dat de Nyquist-plots twee halve cirkels hebben met een contactserieweerstand (R s ) op het FTO-substraat. De kleine halve cirkel in de Nyquist-grafieken wordt toegeschreven aan de ladingstransportweerstand op het elektrode/elektrolyt-interface, en de grote halve cirkel vertegenwoordigt de ladingsoverdrachtsweerstand gerelateerd aan het elektronentransport/recombinatie binnen de fotoanodematerialen. De plaatweerstand (R s ) van het substraat, de ladingsoverdrachtsweerstand van de tegenelektrode (R ct1 ), en de ladingsoverdrachtsweerstand (R ct2 ) werden gesimuleerd door de Zview-software en de bijbehorende gegevens worden getoond in Aanvullend bestand 6:Tabel S2. De getailleerde R s en R ct1 waarden voor alle monsters zijn vergelijkbaar vanwege dezelfde configuratie en groeiende substraten worden toegepast, terwijl de R ct2 waarden laten duidelijk variatie zien van 1079,5, 880.6 en 679,5 Ω voor TiO2 , Fe2 O3 /TiO2 , en CdS/Fe2 O3 /TiO2 , respectievelijk. Het is te zien dat na het wijzigen van TiO2 met Fe2 O3 en CdS, is de kinetiek van de grensvlakladingoverdracht aanzienlijk verbeterd.

een EIS-spectra gemeten bij een biaspotentiaal van 1,2 V onder verlichting en b Mott-Schottky-plots verzameld met een frequentie van 1 KHz in het donker voor de TiO2 NR, Fe2 O3 /TiO2 NR en CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-voorbeelden

De Mott-Schottky-grafieken van de verkregen monsters zijn weergegeven in Fig. 7b. De hellingen bepaald uit de Mott-Schottky-grafieken worden gebruikt om de dragerdichtheid te schatten volgens de volgende vergelijking [26]:

Nd = \( \frac{2}{e_0{\varepsilon \varepsilon}_0}\times \left[\frac{dV}{d\left(1,/,{C}^2\right)}\right] \)

waar e 0 is de elektronische lading, ε is de diëlektrische constante van het monster, ε 0 is de permittiviteit van het vacuüm, Nd is de donordichtheid, en V is de aangelegde spanning. Over het algemeen vertegenwoordigt een relatief kleinere helling een hogere dragerdichtheid.

Het vlakbandpotentieel kan worden geschat met de volgende vergelijking:

$$ \frac{1}{C^2}=\frac{2}{e_0{\varepsilon \varepsilon}_0\mathrm{Nd}}\times \left[E-{E}_{\mathrm{fb} }-\frac{kT}{e}\right] $$

Het vlakke bandpotentieel (E fb ) wordt bepaald door de x . te nemen onderschepping van een lineaire aanpassing aan de Mott-Schottky-plot, 1/C 2 , als functie van de toegepaste potentiaal (E ). Bovendien is er een opmerkelijke kathodische verschuiving in de vlakke potentiaal van 0,44 V voor TiO2 sample naar 0,36 V voor de CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-monster werd waargenomen. Dit suggereert een grotere accumulatie van elektronen in de heterojunctie en weerspiegelt verminderde ladingsrecombinatie.

Opgemerkt moet worden dat de prestatie van PEC-wateroxidatie van een gesynthetiseerd CdS/Fe2O3/TiO2-monster vergelijkbaar is met sommige verwante werken. Bijvoorbeeld Sharma et al. gerapporteerd Fe-TiO2 /Zn-Fe2 O3 dunne films met een prestatie van 0,262 mA cm − 2 bij 0,95 V (vs. SCE) [27], terwijl de FTO/Fe2 O3 /ZnFe2 O4 fotoanode bereikt een fotostroomdichtheid van 0,4 mA cm − 2 [28]. Bovendien, voor de gerapporteerde Fe2 O3 /TiO2 nanobuisfotoanodes, een fotostroomdichtheid van 0,5 mA cm − 2 wordt bereikt [29, 30]. In vergelijking met de gerelateerde werken kan worden gezien dat CdS/Fe2 . is verkregen O3 /TiO2 fotoanode verkrijgt hier uitstekende en betrouwbare PEC-watersplitsingsprestaties.

Conclusies

Concluderend wordt een gemakkelijke opeenvolgende ionische laag adsorptie en reactie (SILAR)-hydrothermische methode ontwikkeld om CdS-gemodificeerd Fe2 te fabriceren. O3 /TiO2 NR-array voor efficiënte PEC-wateroxidatie. UV-vis studie bevestigt de CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-array vertoont uitstekende optische responsprestaties met een duidelijk verbreed lichtabsorptiebereik. Toegepast als de fotoanode voor PEC-wateroxidatie, CdS/Fe2 O3 /TiO2 NR-array fotoanode vertoont een sterk verbeterde fotostroomdichtheid van 0,62 mA cm − 2 (1,23 V vs. RHE) in alkalisch elektrolyt vergeleken met ongerept TiO2 (0,32 mA cm − 2 bij 1,23 V vs. RHE).


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. S, N co-gedoteerde grafeen Quantum Dot/TiO2-composieten voor efficiënte fotokatalytische waterstofgeneratie
    2. Substitutionele doping voor aluminosilicaatmineraal en superieure watersplitsingsprestaties
    3. Verkenning van Zr–Metal–Organic Framework als efficiënte fotokatalysator voor waterstofproductie
    4. Hiërarchische heterostructuur van ZnO@TiO2 holle bollen voor zeer efficiënte fotokatalytische waterstofevolutie
    5. S-gedopeerd Sb2O3-nanokristal:een efficiënte zichtbaar-lichtkatalysator voor organische afbraak
    6. Eenvoudige synthese van polydopamine-koolstofstippen voor fotothermische therapie
    7. Goed uitgelijnde TiO2-nanobuisjes met Ag-nanodeeltjes voor zeer efficiënte detectie van Fe3+-ionen
    8. Efficiënte TiO2-oppervlaktebehandeling met behulp van Cs2CO3 voor oplossing-verwerkte planaire Sb2S3-zonnecellen
    9. Prestatieverbetering van CdS/CdSe Quantum Dot-Sensitized zonnecellen met (001)-Oriented Anatase TiO2 Nanosheets Photoanode
    10. Gemakkelijke voorbereiding en karakterisering van polyaniline en CeO2 co-decorated TiO2-nanobuisjes en zijn zeer efficiënte foto-elektrokatalytische activiteit
    11. Een door IoT aangedreven rivierniveaubewakingssysteem gebruiken voor efficiënt waterbeheer