S, N co-gedoteerde grafeen Quantum Dot/TiO2-composieten voor efficiënte fotokatalytische waterstofgeneratie

Abstract

S, N co-gedoteerde grafeen-kwantumdots (S,N-GQD's) gekoppeld aan P25 (TiO₂ ) (S,N-GQD/P25) zijn bereid via een eenvoudige hydrothermische methode. De as-bereide S,N-GQD/P25-composieten vertoonden uitstekende fotokatalytische waterstofgeneratieactiviteiten, met een aanzienlijk groter lichtabsorptiebereik en superieure duurzaamheid zonder een edelmetaal-cokatalysator te laden. De fotokatalytische activiteit van deze composiet onder zichtbaar licht (λ = 400-800 nm) was sterk verbeterd in vergelijking met die van pure P25. Deze opmerkelijke verbetering in fotokatalytische activiteit van de S,N-GQD/P25-composieten kan worden toegeschreven aan het feit dat S,N-GQD's een sleutelrol spelen bij het verbeteren van de absorptie van zichtbaar licht en het vergemakkelijken van de scheiding en overdracht van door foto gegenereerde elektronen en gaten. Over het algemeen zou dit werk nieuwe inzichten kunnen opleveren in de gemakkelijke fabricage van fotokatalytische composieten als hoogwaardige fotokatalysatoren.

Achtergrond

Waterstofenergie is een nieuwe groene, vervuilingsvrije energie met veel voordelen, waaronder een hoge calorische waarde, gemakkelijke opslag en transport, geen vervuiling, enz. Aangezien water en zonlicht twee van de meest voorkomende en gemakkelijk toegankelijke bronnen in de echte wereld zijn, is het overbrengen van de zonne-energie in H₂ uit waterige oplossing is een populair onderzoeksonderwerp geworden op het gebied van fotokatalyse en waterstofenergie. Vergeleken met CdS, SiC en vele andere halfgeleiders zijn deze op grote schaal gebruikt voor fotokatalytische H₂ evolutie [1,2,3,4,5,6], TiO₂ heeft verschillende voordelen, zoals lage kosten, niet-toxiciteit, goede fotochemische stabiliteit en lange levensduur, wat de industriële toepassingen ten goede komt [7]. De grote bandgap (3,2 eV) van TiO₂ en snelle recombinatie van door foto gegenereerde elektronen en gaten beperken de efficiëntie van de omzetting van zonne-energie [8]. Er zijn massale strategieën genomen om dit probleem op te lossen, zoals doping met metalen elementen [9, 10], deponeren met edelmetaal [11] dat sensibiliseert met organische kleurstoffen [12, 13] enzovoort. De laatste tijd is er veel belangstelling voor TiO₂ -gebaseerde composieten met het combineren van metaalvrije koolstofmaterialen, zoals grafeen en koolstofnanobuizen (CNT's), die de fotokatalytische activiteit efficiënt zouden kunnen verbeteren vanwege de superieure ladingstransporteigenschappen om de recombinatiesnelheid van fotogegenereerde elektronengaten te verminderen. Bijvoorbeeld Du et al. [14] heeft een fotokatalyse gerapporteerd op basis van grafeen/TiO₂ kern-schil nanodeeltjes, en de verbeterde fotokatalytische activiteit was geassocieerd met het grote uitgebreide fotoresponsieve bereik en de hoge efficiëntie van de scheiding van elektronen en gaten dankzij de synergetische interacties tussen TiO₂ en grafeenmateriaal. Grafeen is echter intrinsiek een halfmetaal met een bandgap van nul, wat de toepassing ervan in fotokatalyse aanzienlijk belemmert [15]. Bovendien absorberen zowel grafeen als CNT's een breed scala aan licht en kunnen daarom andere fotokatalyse van lichtstraling blokkeren [16]. Bovenstaande nadelen beperken de fotokatalytische prestaties van op grafeen en CNT's gebaseerde composietfotokatalyse.

Grafeen-quantumdots (GQD's), als een nieuw opkomend koolstofnanomateriaal, bestaan uit enkele lagen grafeen met een laterale afmeting van minder dan 10 nm en verwerken unieke eigenschappen die zijn afgeleid van grafeen [17]. Vergeleken met traditionele halfgeleider kwantumdots, zoals ZnO [18], CdSe [19] enzovoort, vertonen GQD's een hogere oplosbaarheid in water, betere chemische stabiliteit, lage toxiciteit, uitstekende biocompatibiliteit en foto-elektrische eigenschappen. Daarom hebben ze een breed scala aan interesses gewekt in detectie [20, 21], zonnecellen [22,23,24], bio-imaging [25, 26] en fotokatalyse [27,28,29,30]. Onlangs hebben Qu et al. [31] heeft GQD/TiO₂ . voorbereid nanobuisje (GQD/TiO₂ NT) composieten door een eenvoudige hydrothermische methode bij lage temperatuur. De fotokatalytische activiteit van bereid GQD/TiO₂ NT-composieten op de afbraak van methyloranje (MO) waren significant verbeterd in vergelijking met die van pure TiO₂ nanobuisjes. Sudhagar et al. [32] heeft GQD's/TiO₂ . voorbereid holle nanodraden (HNW) architectuurelektrode voor het verbeteren van de lichtopbrengst en de katalytische activiteit voor wateroxidatie, zonder de noodzaak van opofferingsmiddelen en demonstreerde het onderliggende mechanisme van fotodrager (e^- /h⁺ ) overdrachtskarakteristieken bij GQD's/metaaloxide-interface tijdens bedrijf. Hoewel er verschillende rapporten zijn die het potentieel van GQD's als door zichtbaar licht aangedreven fotokatalysatoren suggereren, is het gebrek aan emissie bij lange golflengte-excitatie en brede absorptie in het zichtbare gebied (λ> 400 nm) van GQD's vragen nog steeds om geoptimaliseerde methoden [33]. Onlangs zijn stikstof- en zwavel-co-gedoteerde grafeen-kwantumdots (S,N-GQD's) bestudeerd vanwege hun brede fotoabsorptie in een breed spectraal bereik, hoge vervoersmobiliteit van dragers en uitstekende chemische stabiliteit. Qu et al [34] hebben aangetoond dat S,N-GQD's een veel betere absorptie van zichtbaar licht verwerken dan pure GQD's en veelkleurige emissie onder excitatie van zichtbaar licht. Deze resultaten geven aan dat elementaire dotering van GQD's veelbelovende katalysatoren voor fotokatalyse op zonne-energie zou kunnen produceren. Verder onderzoek zou zich moeten richten op de wijziging van GQD's om de bandgap te reguleren, het fotoabsorptiegebied te verbreden en de foto-kwantumefficiëntie te verbeteren. Maar er blijven grote uitdagingen bestaan bij het ontwikkelen van goedkope, stabiele en zeer actieve op GQD gebaseerde fotokatalysatoren.

In dit artikel hebben we een hydrothermische methode gerapporteerd voor het gelijktijdig synthetiseren en doteren van GQD's met S en N. We hebben de S,N-GQD/TiO₂ verder voorbereid. (P25) composieten via een gemakkelijke hydrothermische route. Deze composiet vertoonde uitstekende fotokatalytische prestaties in H₂ productie uit waterige methanoloplossing onder UV-vis bestraling zonder de hulp van cokatalysatoren van edelmetalen. De fotokatalytische activiteiten van S,N-GQD/TiO₂ met verschillende S,N-GQD laadhoeveelheden werden ook onderzocht. Ten slotte werd het mechanisme voor de verbetering van fotokatalytische prestaties besproken op basis van experimentele resultaten.

Methoden

Synthese van de S,N-GQD's

Het gedetailleerde syntheseproces van S,N-GQD's is elders gerapporteerd [35]. Gewoonlijk werden 1,26 g (6 mmol) citroenzuur en 1,38 g (18 mmol) thioureum opgelost in 30 ml DMF en enkele minuten geroerd om een heldere oplossing te verkrijgen. Vervolgens werd de oplossing overgebracht in een met teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf van 50 ml. De afgesloten autoclaaf werd 8 uur verwarmd tot constant 180°C en afgekoeld tot kamertemperatuur. Het eindproduct werd opgevangen door ethanol aan de oplossing toe te voegen en vervolgens 15 minuten bij 10.000 tpm gecentrifugeerd.

Synthese van de S,N-GQD/P25-composieten

De S,N-GQD/P25-composieten werden verkregen door middel van een hydrothermische methode. Gewoonlijk 0,5 g P25 en 5 ml S,N-GQD (2 mg ml⁻¹ ) werden toegevoegd aan 20 ml gedestilleerd water. Het mengsel werd 4 uur bij kamertemperatuur geroerd om een homogene suspensie te verkrijgen. Daarna werd de suspensie overgebracht in een met Teflon afgesloten autoclaaf van 40 ml en gedurende 6 uur op 150°C gehouden. Vervolgens werden de S,N-GQD/P25-composieten geprecipiteerd door 5 minuten te centrifugeren bij 4000 tpm. En tenslotte werd de vaste stof een nacht bij 50°C in een vacuümoven gedroogd. Onderzoek naar het effect van het S,N-GQD-gehalte op de fotokatalytische H₂ evolutiesnelheid werden de S,N-GQD/P25-composieten met verschillende gehalten aan S,N-GQD (0, 1, 2, 3, 5, 8 en 10 gew.%) bereid.

Karakterisering

Transmissie-elektronenmicroscopische (TEM) en hoge resolutie TEM (HRTEM) beelden werden verkregen door een JEOL JEM-2100 F-microscoop die werkte bij 200 kV; Röntgendiffractie (XRD) patroon werden opgenomen op een Rigaku D/max-2500 diffractometer met een nikkel gefiltreerde Cu Ka-straling bedreven bij 40 kV en 300 mA; Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectra werden uitgevoerd met Nicolet 6700 (Thermo Fisher); Raman-spectra werden uitgevoerd door NEXUS670 (Thermo Nicolet Corporation); UV-vis absorptiespectra werden gemeten met een UV-vis spectrofotometer Lambda 950 (Perkin Elmer, VS).

Fotokatalytische waterstofproductie

Vijftig milligram fotokatalysatorpoeders werden gedispergeerd in een 100 ml waterige oplossing die 10 ml methanol als opofferingsmiddel bevat. De bestralingen met UV-licht en zichtbaar licht werden gegenereerd met respectievelijk een 300 W Xe-lamp zonder en met een 400 nm filter. De hoeveelheid gegenereerde H₂ werd bepaald met een online gaschromatograaf.

Foto-elektrochemische metingen

De tijdelijke fotostroomreacties werden gemeten in een elektrochemisch werkstation met een conventioneel systeem met drie elektroden:een Pt-plaat als de tegenelektrode, een verzadigde calomelelektrode als de referentie-elektrode, en het voorbereide monster werd als een laag op het ITO-substraat aangebracht als de werkende elektrode. In het bijzonder werd de werkelektrode bereid door de suspensie van 0,05 g fotokatalysator, 0,2 g polyethyleenglycol (PEG20000) en 1,0 ml water op ITO-glaselektroden te coaten met de rakelmethode, gevolgd door calcineren bij 450 ° C gedurende 30 minuten. Het actieve oppervlak van de werkelektrode dat werd blootgesteld aan de elektrolyt was ongeveer 2 cm² en de dikte van de beklede laag was ongeveer 8 mm. De elektrolyt was 0,5 M Na₂ SO₄ waterige oplossing. De lichtbron was een 300 W Xe-lamp.

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont de TEM-afbeeldingen van de gesynthetiseerde S,N-GQD's en S,N-GQD/P25-monsters. De TEM-afbeeldingen laten zien dat de S, N-GQD's een uniforme dispersie hebben zonder duidelijke aggregatie. In de HRTEM-afbeelding in Fig. 1a zijn (0-110) roosterranden met een tussenruimte van ongeveer 0,24 nm voor S,N-GQD's zichtbaar [36], waaruit blijkt dat de S,N-GQD's een grafietkarakter hebben. Het beeld met atomaire krachtmicroscopie (AFM) en het bijbehorende hoogteprofiel van S, N-GQD's worden respectievelijk getoond in Fig. 1b en c. De dikte van S,N-GQD's is meestal verdeeld in het bereik van 0,8-1,2 nm. Na vermenging met P25-nanodeeltjes, werden S,N-GQD's gedecoreerd op P25 en goed verspreid, zoals blijkt uit het typische TEM-beeld van de S,N-GQD/P25-composieten (Fig. 1d).

Morfologische karakteriseringen. een TEM- en HRTEM-afbeeldingen van de S, N-GQD's. b , c Een AFM-beeld en het hoogteprofiel van de S,N-GQD's. d Een TEM-beeld van de S,N-GQD/P25-composieten

De XRD-patronen van zuivere P25-, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25-composieten worden getoond in Fig. 2. De P25 is een mengsel van tachtig procent anatase TiO₂ en twintig procent rutiel TiO₂ . De diffractiepieken bij 25,28°, 36,96°, 37,8°, 48,05°, 53,89°, 55,02°, 62,69°, 70,26° en 75,03° worden toegeschreven aan (1 0 1), (1 0 3), (0 0 4 ), (2 0 0), (1 0 5), (2 1 1), (2 0 4), (2 2 0) en (2 1 5) vlak van anatase TiO₂; en de andere pieken bij 36,12°, 41,18° en 56,72° behoren tot het (1 0 1), (1 1 1) en (2 2 0) vlak van rutiel TiO₂ (JCPDS-kaart nr. 21-1272 en nr. 21-1275). Het spectrum van de S,N-GQD's vertoont één prominente piek bij 25,6° die overeenkomt met de (0 0 2) vlakken van grafietstructuren (tussenlaagafstand van ~0,34 nm) [37]. Het is opmerkelijk dat er geen typische pieken voor S,N-GQD's te vinden zijn in het XRD-spectrum van S,N-GQD/P25 en dat de locatie en intensiteit van de verschenen pieken nauwelijks veranderd zijn in vergelijking met P25. Dit komt door het lage gehalte aan S,N-GQD's in de composieten, wat duidelijk aangeeft dat de S,N-GQD's geen invloed hebben op TiO₂ kristalstructuur en grootte.

XRD-patronen van de P25-, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25-composieten

Om het succesvolle laden van de S, N-GQD's op P25 aan te tonen, hebben we FTIR- en Raman-spectrummetingen uitgevoerd (Fig. 3). In het FTIR-spectrum van S,N-GQD's, de o-H-rektrilling bij 3232 cm⁻¹ ; de trillingspiek van C = O op 1753 cm⁻¹ , asymmetrische rektrillingen van C = S en C–S bij 1185 en 782 cm⁻¹ respectievelijk, en buigtrillingen van N-H bij 1558 cm⁻¹ zijn zichtbaar. Wat betreft de pure P25, de piek in het buitenland ligt op 400-800 cm^-1 komt overeen met de bindingen van Ti-O en Ti-O-Ti. Vergeleken met de P25 vertoont deze trillingsband voor S,N-GQD/P25 een lichte roodverschuiving die wordt veroorzaakt door de combinatie van S,N-GQD's en de uitrekkende trillingen van Ti-O-C-trillingen. Dit bevestigt dat de S,N-GQD's zijn gecoördineerd met P25.

FTIR-spectra van P25, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25

Figuur 4 toont Raman-spectra van P25, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25. Drie voor de hand liggende karakteristieke pieken op 396, 519 en 639 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan Raman actieve modi van P25 volgens de symmetriegroepanalyse. Er zijn echter twee extra D- en G-pieken op 1357 en 1593 cm⁻¹ kan worden gezien in het S,N-GQD/P25-spectrum, de Raman-actieve modi van de S,N-GQD's. Op basis van alle bovenstaande resultaten kan worden geconcludeerd dat de S,N-GQD's met succes op de TiO₂ zijn geladen. nanodeeltjes.

Raman-spectra van P25, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25

Lichtabsorptie is een sleutelfactor die de fotokatalytische prestatie van fotokatalysatoren beïnvloedt. De UV-vis absorptie van S,N-GQD's (Fig. 5a) vertoont twee absorptiebanden gecentreerd op 345 en 462 nm, wat significant verschilt van de traditionele GQD's met slechts één absorptieband gecentreerd op ongeveer 340 nm [38,39 ,40]. Het is duidelijk dat het doteren van S en N in GQD's de band gap kan veranderen en tot dit onderscheid kan leiden. Vanuit de positie van de absorptierand kunnen de optische directe bandgapwaarden van de S,N-GQD's worden bepaald met behulp van de gevestigde Tauc's relatie (αhυ) ² = α ₀ (hυ -E _g ), waar hυ , α ₀ en E _g zijn fotonenergie, respectievelijk een constante en optische bandgap [41]. Zoals weergegeven in figuur 5b, kan een kloofenergie van 2,5 eV voor directe bandafstand voor de S,N-GQD's eenvoudig worden verkregen door toepassing van lineaire extrapolatie. Opgemerkt wordt dat de E _g van S,N-GQD's is lager dan TiO₂ (3,2 eV), wat een verschil in bandgap van 0,7 eV oplevert, zodat de S,N-GQD's zichtbaar licht kunnen absorberen en aanslaan [42]. De UV-vis absorptie van de P25 en S,N-GQD/P25 composieten gemeten in waterige oplossing wordt getoond in Fig. 5c. De zuivere P25 heeft bijna geen absorptie in het zichtbare lichtgebied van 400-800 nm, terwijl de absorptie van S,N-GQD/P25-composieten zich uitstrekt tot het zichtbare bereik tot 800 nm. Blijkbaar kunnen S,N-GQD's het fotoresponsbereik van de S,N-GQD/P25-composieten efficiënt verbreden tot zichtbaar licht, wat naar verwachting de door zichtbaar licht aangedreven fotokatalytische activiteit ervan zal verbeteren.

UV-vis metingen. een Het UV-vis absorptiespectrum van de S,N-GQD's. b De overeenkomstige Tauc-plot van de S,N-GQD's. c De UV-vis absorptiespectra van de P25 en S,N-GQD/P25

Afbeelding 6 toont de fotokatalytische prestaties van een verscheidenheid aan monsters met verschillende hoeveelheden S,N-GQD's (gew.%) in S,N-GQD/P25 onder bestraling met UV-licht in H₂ productie. Het is te zien dat zuiver P25 een relatief lage fotokatalytische H₂ . vertoont generatiesnelheid (1,7 μmol/h), waarschijnlijk vanwege die TiO₂ kan alleen UV-licht absorberen en de snelle recombinatie van fotogegenereerde elektronen en gaten. Na de koppeling met S,N-GQD's, de fotokatalytische H₂ generatiesnelheid van de composieten neemt geleidelijk toe met de toename van de hoeveelheid S,N-GQD's. De hoogste generatiesnelheid (5,7 μmol/h) wordt verkregen in het 3 gew.% S,N-GQD-koppelingsmonster, dat 3,6 keer hoger is dan dat van puur P25. Deze resultaten tonen aan dat het een haalbare manier is om H₂ . te verbeteren generatieactiviteit van pure TiO₂ door het te koppelen met de S,N-GQD's. Dit wordt voornamelijk toegeschreven aan het feit dat er een goede afstemming van de energieband bestaat in de S,N-GQD-TiO₂ heterojunctie die een zeer efficiënte elektron-gat-scheiding op het grensvlak mogelijk maakt [43]. Bovendien kunnen de S,N-GQD's efficiënt elektronen overdragen en de recombinatie van fotogegenereerde elektronen en gaten effectief remmen. Echter, met het verder verhogen van de inhoud van de S,N-GQD's, wordt de H₂ de generatiesnelheid nam geleidelijk af, wat waarschijnlijk te wijten is aan het feit dat de opaciteit en lichtverstrooiing van de S,N-GQD's de absorptie van invallend licht verminderde en de katalytische actieve plaatsen verminderde [44].

Fotokatalytische H₂ generatiesnelheden van zuivere P25- en S,N-GQD/P25-composieten met verschillende hoeveelheden S,N-GQD's onder UV–zichtbaar licht

De fotokatalytische H₂ generatiesnelheid van de fotokatalysatoren werd ook onderzocht onder zichtbaar licht (λ = 400-800 nm) bestraling. Zoals getoond in Fig. 7, vertoont pure P25 bijna geen fotokatalytische activiteit omdat het bijna geen absorptie heeft in zichtbaar licht (λ = 400–800 nm) vanwege zijn brede bandafstand (3,2 eV, kan het alleen worden opgewekt door het licht λ < 413 nm). Integendeel, met het laden van S,N-GQD's op P25, wordt de fotokatalytische H₂ evolutiesnelheid neemt geleidelijk toe onder bestraling met zichtbaar licht, wat onthult dat de S,N-GQD's kunnen worden geëxciteerd door zichtbaar licht en fotokatalytische activiteit bezitten.

Fotokatalytische H₂ generatiesnelheden van pure P25- en S,N-GQD/P25-composieten (3 gew.% S,N-GQD) onder zichtbaar licht

Om de bruikbaarheid van S,N-GQD/P25 in de fotokatalyse beter te begrijpen, hebben we de cyclusstabiliteit ervan bestudeerd. Afbeelding 8 laat zien dat de S,N-GQD/P25-composietfotokatalysator een uitstekende stabiliteit heeft binnen drie herhalingscycli, wat aangeeft dat de S,N-GQD/P25 een potentiële toepassing op fotokatalytisch gebied zou kunnen hebben.

Drie herhaalde cyclusexperimenten van 3 gew.% S,N-GQDs/TiO₂

Om meer informatie te krijgen over de excitatie en overdracht van fotogegenereerde ladingsdragers in fotokatalysatoren, werden bovendien de tijdelijke fotostroomreacties van P25 en S,N-GQD/P25 composiet gecoat op ITO-glas onderzocht voor verschillende aan-uit cycli van UV-vis bestraling. . Zoals getoond in Fig. 9 vertonen alle P25-, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25-elektroden gevoelige fotostroomreacties tijdens herhaalde aan/uit-cycli onder de UV-straling. De veranderende trend van de fotostroomdichtheid is consistent met hun fotokatalytische H₂ evolutie activiteiten. Voor de P25-elektrode is er een zeer zwakke fotostroomrespons op UV-vis licht, zelfs bij hoge aangelegde potentialen. Voor de S,N-GQDs-elektrode is de fotostroomrespons sterker dan die van de P25 alleen, maar wordt deze veel langzamer. Dit fotostroomhysteresegedrag van de S,N-GQD's zou het gevolg kunnen zijn van een hoge recombinatiesnelheid van fotogegenereerde elektronen en gaten en een hoge grensvlakweerstand tussen S,N-GQD's tegen ladingsoverdracht [45]. Daarentegen vertoont de fotostroomrespons van S,N-GQD/P25 na de combinatie van de S,N-GQD's een opmerkelijke verbetering van negen keer vergeleken met P25 alleen. De aanzienlijk verbeterde fotostroom van S,N-GQD/P25 kan worden toegeschreven aan het feit dat S,N-GQDs een fragment van grafeen op nanoschaal is dat een groter actief oppervlak kan bieden en het contactoppervlak met de TiO₂ . Bovendien kunnen S,N-GQD's dienen als het elektronenreservoir, zoals vaak gebruikte co-katalysator Pt in fotokatalytische H₂ , wat bevorderlijk is voor de snelle overdracht van door foto gegenereerde elektronen. Dit resultaat bewijst verder dat S,N-GQD's werken als elektronenoverdrachtsreagens in vaste toestand, de door foto gegenereerde elektronenoverdracht kan versnellen, en geeft aan dat S,N-GQD/P25-composiet een veelbelovende co-katalysator is voor fotokatalytisch H2 productie.

De tijdelijke fotostroomrespons van P25-, S,N-GQD's en S,N-GQD/P25-composieten onder bestraling met UV-licht

Bovendien vertoont het PL-spectrum van puur P25, zoals weergegeven in figuur 10, een emissieband in het golflengtebereik van 350-550 nm, die werd toegewezen aan de excitonische bandrandemissie van TiO₂ . Vergeleken met pure P25 vertonen alle S,N-GQD/P25-monsters een aanzienlijk verminderde PL-emissie, en de uitdovingsefficiëntie van PL-emissie neemt toe met de toename van het S,N-GQD-gehalte. Deze waarneming onthult dat ladingsrecombinatie van TiO₂ werd sterk vertraagd door combinatie met S,N-GQD's. Op basis van bovenstaande resultaten hebben we een mogelijk mechanisme voorgesteld voor de verbeterde fotokatalytische H₂ productieactiviteit van de S,N-GQD/P25-composieten. Zoals getoond in Fig. 11, kan het mechanisme worden beschreven door de volgende drie punten:Ten eerste kunnen S,N-GQD's onder bestraling met UV-licht dienen als de elektronenreservoirs om fotogegenereerde elektronen van P25 op te vangen en de scheiding van fotogegenereerde elektronen te bevorderen. gatenparen efficiënt, wat wordt bevestigd door PL-meting. Ten tweede werken de S,N-GQD's onder bestraling met zichtbaar licht als een fotosensibilisator om P25 te sensibiliseren en de elektronen te doneren aan de geleidingsband van P25, wat leidt tot de door zichtbaar licht aangedreven fotokatalytische H₂ productie activiteit. Bovendien kunnen de S,N-GQD's, met een smalle bandgap van 2,5 eV, zichtbaar licht omzetten en fotokatalytische activiteit bezitten onder bestraling met zichtbaar licht, wat wordt bevestigd door UV-visabsorptie en fotokatalytische H₂ generatie onder zichtbaar lichtmeting. Het hele fotokatalytische reactieproces kan worden beschreven door de volgende vergelijkingen [46]:

PL-spectra van zuivere P25- en en S,N-GQD/P25-composieten met verschillende hoeveelheden S,N-GQD's. Excitatiegolflengte:280 nm

Voorgesteld mechanisme voor de fotokatalytische H₂ evolutie van S,N-GQD/P25 composieten onder UV-vis licht bestraling

$$ \mathrm{photocatalyst} + hv\to\ {\mathrm{e}}^{\hbox{-} } + {\mathrm{h}}^{+} $$ (1) $$ {\mathrm{ h}}^{+} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\ \to \cdot p \mathrm{O}\mathrm{H} + {\mathrm{H}}^{+} $ $ (2) $$ {\mathrm{CH}}_3\mathrm{O}\mathrm{H} + \cdotp \mathrm{O}\mathrm{H}\ \to \cdot p {\mathrm{CH}} _2\mathrm{O}\mathrm{H} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (3) $$ \cdotp {\mathrm{CH}}_2\mathrm{O}\mathrm{ H}\ \to\ \mathrm{H}\mathrm{CHO} + {\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{e}}^{\hbox{-} } $$ (4) $ $ 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 2{\mathrm{e}}^{\hbox{-} }\ \to\ {\mathrm{H}}_2 + 2{\mathrm{ OH}}^{\hbox{-} } $$ (5) $$ \mathrm{Overall}\ \mathrm{reactie}:\ {\mathrm{CH}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}\ \naar\ \mathrm{H}\mathrm{CHO} + {\mathrm{H}}_2 $$ (6)

Conclusies

Concluderend hebben we met succes de S,N-GQD/P25-composieten in een waterige oplossing bereid. De composieten werden bestudeerd met TEM-, HRTEM-, FTIR-, Raman- en XRD-analyses. Onze resultaten toonden aan dat S,N-GQD's gedecoreerd op P25 de absorptie van zichtbaar licht van P25 duidelijk kunnen verbreden en de activiteit op fotokatalytisch H₂ kunnen verhogen. productie onder UV-vis licht bestraling. Vooral de 3 gew.% S,N-GQD/P25 vertoonde het beste fotokatalytische vermogen, dat ongeveer 3,6 keer hoger is dan dat van de zuivere P25. Bovendien vertoonden de S,N-GQD/P25-composieten ook efficiënte fotokatalytische H₂ productieactiviteit onder zichtbaar licht, die een voordeel behaalde ten opzichte van P25. Over het algemeen lieten de S,N-GQD/P25-composieten een verbeterd gebruik van zonnelicht zien voor de productie van waterstof en energieconversie.

Eenvoudige synthese en optische eigenschappen van kleine selenium nanokristallen en nanostaafjes Hoog-efficiënte excitatie-onafhankelijke blauwe lichtgevende koolstofstippen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal