WO3 / p-Type-GR Camadas Materiais para Degradação Antibiótica Fotocatalítica Promovida e Dispositivo para Mecanismo Insight

Resumo

WO melhorado com grafeno ₃ recentemente se tornou um material promissor para várias aplicações. A compreensão da transferência de portadores de carga durante os processos fotocatalíticos permanece obscura por causa de sua complexidade. Neste estudo, as características do WO depositado ₃ / materiais em camadas de grafeno foram investigados por espectroscopia Raman, espectroscopia UV-vis e SEM. De acordo com os resultados, o p-grafeno exibe e realça as características do WO ₃ / filme de grafeno. As atividades fotocatalíticas de WO ₃ / materiais em camadas de grafeno foram avaliados pela degradação fotocatalítica de antibióticos oxitetraciclina irradiados por luz ultravioleta. Aqui, uma maior corrente de voltametria cíclica e uma maior resistência dos espectros de impedância foram obtidos com o WO ₃ conforme crescido / grafeno sintetizado diretamente em folhas de Cu sob luz ultravioleta usando um método eletroquímico, que era diferente do WO ₃ tradicional catalisadores. Portanto, é urgente explorar o mecanismo subjacente em profundidade. Neste estudo, um grande material em camadas WO ₃ / grafeno foi fabricado em um substrato de Si usando um método CVD modificado e um WO ₃ / dispositivo de grafeno foi desenvolvido depositando um material de eletrodo de ouro e comparado com um WO ₃ dispositivo. Devido aos efeitos de dopagem fotoinduzidos, o teste de tensão de corrente sugeriu que a fotoresistência é maior do que a resistência no escuro, e a fotocorrente é menor do que a corrente no escuro com base em WO ₃ / materiais em camadas de grafeno, que são significativamente diferentes das características do WO ₃ material em camadas. Uma nova via foi desenvolvida aqui para analisar as propriedades de transferência de portadores no processo fotocatalítico.

Introdução

A coleta de energia solar para geração de eletricidade, um dos métodos promissores de desenvolvimento inteligente e sustentável, tem despertado muitos interesses de pesquisa. Para tanto, a separação fotocatalítica da água gera hidrogênio e oxigênio a partir da água, que desempenha um papel cada vez mais importante como energia limpa [1]. Neste aspecto, fotocatalisadores de baixo custo e alta eficiência são os representantes típicos, por exemplo, WO ₃ e TiO ₂ [2]. Muitos relatórios mostraram que a formação de compósitos semicondutores pode efetivamente obter novos sistemas fotocatalisadores ativos devido ao aprimoramento da separação dos portadores de carga [3]. O grafeno (GR), o material mais fino e forte, tem muitas propriedades químicas e físicas extraordinárias por sua estrutura bidimensional única com estrutura de carbono em favo de mel. Material semicondutor de óxido complexo de grafeno, por exemplo, WO ₃ / GR, foi relatado como um dos melhores fotocatalisadores em separação fotoeletroquímica de água de alta eficiência por sua resiliência ao efeito de fotocorrosão e comportamentos de transporte de elétrons eficientes [4, 5]. Assim, nanocompósito híbrido de semicondutor de óxido complexo de grafeno tem despertado grande interesse de pesquisa por seu enorme potencial na última década para várias aplicações, por exemplo, NO ₂ sensor, materiais eletrocrômicos, supercapacitor e fotocatalisador [6,7,8,9,10,11,12].

Dado o desempenho fotocatalítico superior do WO ₃ / GR, vários estudos foram realizados para revelar o mecanismo subjacente que o grafeno melhora WO ₃ características associadas à transferência de carga gerada por foto, e várias explicações bem estabelecidas foram feitas. Por exemplo, Wu et al. considerou que o grafeno pode servir como um material aceitador de elétrons e reduzir a recombinação de pares elétron-buraco fotoexcitados, aumentando assim a eficiência da fotoconversão [13]. Além disso, WO ₃ nanobastões podem fornecer outra rota possível de elétrons entre WO ₃ e nanofolhas rGO acopladas, exibindo assim excelente atividade catalítica de luz visível para a produção de hidrogênio e esclarecendo o mecanismo catalítico do esquema Z [14,15,16,17].

Além disso, alguns experimentos foram realizados para explicar os mecanismos de materiais óxidos semicondutores e nanocompósitos híbridos de grafeno [18, 19]. Pang et al. usou a técnica de marcação de isótopos de oxigênio-18 como uma ferramenta poderosa para analisar os complicados mecanismos fotocatalíticos no TiO ₂ superfície [20]. Recentemente, vários grupos relataram que a luz pode ser usada para atingir a dopagem de carga no grafeno, o que pode melhorar a compreensão e o uso das junções de Schottky de grafeno para optoeletrônica e eletrônica [21, 22]. Além disso, a dopagem fotoinduzida se origina de um material que absorve luz em interfaces de heteroestrutura de grafeno e recentemente exibiu características de dispositivo e efeitos físicos exclusivos. Cargas fotogeradas da interação luz-matéria são transferidas para o grafeno, levando à adaptação da estrutura eletrônica em grafeno. Vale ressaltar que esta abordagem de dopagem sem contato, fácil de controlar, não garantirá defeitos adicionais [23].

Neste estudo, os materiais em camadas WO ₃ / GR foram depositados, cujas características foram investigadas sob a espectroscopia Raman, espectroscopia UV-vis e MEV. Todos os resultados mostram que o p-grafeno emerge e melhora as características do WO ₃ / GR film. As atividades fotocatalíticas dos materiais em camadas foram avaliadas pela degradação fotocatalítica de antibióticos oxitetraciclina sob irradiação de luz ultravioleta. As características de voltametria cíclica e espectros de impedância eletroquímica do WO conforme crescido ₃ / GR fabricados diretamente em folhas de Cu sob luz ultravioleta usando comportamento eletroquímico foram obtidos aqui e comparados com WO tradicional ₃ catalisadores. Para explorar os mecanismos de transferência de carga associados à dopagem fotoinduzida, as pilhas de materiais em camadas de grande área WO ₃ / GR foram projetados no substrato de Si usando uma abordagem CVD modificada e WO ₃ / GR e WO ₃ os dispositivos foram desenvolvidos depositando um material de eletrodo de folha de ouro para comparação. As características de WO ₃ / GR foram analisados e comparados com aqueles de WO ₃ devido aos efeitos de dopagem fotoinduzidos usando o teste de corrente-tensão. Os comportamentos de transporte de carga do p-grafeno podem ser modificados para melhorar a capacidade fotocatalítica. Além disso, o grafeno foi usado como o aceitador de elétrons fotogerado e efetivamente suprimiu a recombinação de carga no WO ₃ / Materiais em camadas GR.

Seção Experimental

Caracterização de WO ₃ / GR transistor de floco fino:primeiro, filmes de grafeno de grande área da ordem de centímetros foram formados em substratos de cobre por deposição química de vapor usando metano. Filmes de grafeno foram removidos das folhas de Cu para SiO ₂ / Si substrato por ataque ácido em uma solução aquosa de nitrato de ferro. O WO ₃ filme fino foi formado a partir de 50 nm WO ₃ pó em um wafer de Si limpo com um SiO de 275 nm ₂ , camada superior de grafeno [24]. Durante a deposição, argônio foi usado como gás de proteção. Posteriormente, os eletrodos (Cr / Au (5/50 nm)) foram padronizados com fotolitografia padrão, deposição de metal por feixe de elétrons e lift-off. Para comparação, o WO ₃ puro dispositivo sem grafeno foi preparado nas mesmas condições.

Os band-gaps dos filmes fabricados foram obtidos medindo a absorbância usando um instrumento UV-vis (UV-2600, SHIMADZU Inc.). A morfologia e a microestrutura dos filmes nanoestruturados foram avaliadas com um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo JEOL JSM-7600F (FE-SEM). As medições Raman foram realizadas em um sistema Witec em uma configuração de retroespalhamento. A excitação foi alcançada por luz laser visível ( λ =532 nm). Todos os espectros foram registrados em níveis de baixa potência para evitar modificação induzida por laser ou ablação das amostras.

Os testes de atividade fotocatalítica foram realizados sob luz ultravioleta. Uma quantidade definida de fotocatalisador foi suspensa em 20 mL de solução de antibiótico (oxitetraciclina, 15 mg / L) em um teste de atividade típico. A suspensão foi deixada no escuro por 1 h para atingir o equilíbrio de adsorção, e a reação fotocatalítica foi iniciada sob luz ultravioleta por 160 min. A fonte de luz era uma lâmpada de mercúrio de 250 W. Ao medir as mudanças no espectro de absorção de UV-vis em função do tempo de irradiação, este estudo monitorou a degradação do antibiótico.

Medições eletroquímicas

Todas as medições eletroquímicas foram realizadas em um sistema de três eletrodos para estação de trabalho eletroquímica CHI 604E (CH Instruments), em que WO ₃ / GR / Cu foil e WO ₃ A folha / Cu serviu como o eletrodo de trabalho, a folha Pt como um contra-eletrodo e um Ag / AgCl saturado como um eletrodo de referência. Todos os potenciais foram calibrados por um eletrodo reversível de hidrogênio (RHE). Voltametria de varredura linear com uma taxa de varredura de ~ 0,1 V s ⁻¹ , de + 0,20 a - 0,20 V vs. RHE foi realizado em 0,5 M H ₂ SO ₄ . Os gráficos de Nyquist foram obtidos nas frequências que variaram de 100 kHz a 0,1 Hz no sobrepotencial de 40 mV. Para extrair a série e a resistência de transferência de carga, os dados de impedância foram ajustados a um circuito Randles simplificado.

Medição optoeletrônica

Todas as caracterizações eletrônicas e optoeletrônicas foram realizadas em uma estação de sondagem no vácuo e em temperatura ambiente. A fotocorrente foi registrada pelo analisador de semicondutor Agilent 1500 A. A excitação de luz foi obtida pela lâmpada de 253 nm usada para a excitação de UV.

Resultados e discussão

A característica da WO ₃ / Filme GR

O processo de deposição de WO ₃ / GR e WO ₃ filmes por CVD é mostrado na Fig. 1a. As Figuras 1b e c fornecem fotografias SEM do documento WO ₃ depositado / GR filmes finos. Verificou-se que o WO ₃ / GR materiais de filme fino são uniformes e lisos aqui. Além disso, a partir da inspeção, pequenas fissuras de cerca de 100 nm de tamanho foram encontradas na superfície do WO ₃ / GR. As Figuras 1d, e e f mostram o mapeamento elementar de C, O e W no WO ₃ / Superfície GR. Obviamente, tanto W quanto O são uniformemente distribuídos pela superfície com uma porcentagem mais alta. Uma vez que o grafeno é cultivado abaixo de WO ₃ , o elemento C pode ser encontrado na posição de fissuras com baixo percentual [25].

Esquema da síntese e as morfologias SEM do WO ₃ / Heteroestruturas GR. a WO 50 nm ₃ o pó é posicionado no mesmo barco de cerâmica no lado de entrada do forno tubular. b × 60.000 e c × 5000 imagens SEM. d C e O f Mapeamento elementar WEDS de WO ₃ / GR

A Figura 2a mostra uma região selecionada dos espectros Raman do WO ₃ / GR, bem como WO ₃ puro . Em geral, o grafeno monocamada tem dois picos em quase 1348 cm ⁻¹ e 1586 cm ⁻¹ , sugerindo que a razão de intensidade de I _G / I _D pico é cerca de 2 de um espectro Raman. Picos semelhantes na banda D (arredondado 1370 cm ⁻¹ ) e banda G (redondo 1599 cm ⁻¹ ) foram observados no WO ₃ / GR composto. De acordo com os espectros na Fig. 2a, o I _G / I _D proporção diminuiu de 2 para o grafeno para 1,2 para o WO ₃ / GR composto. Assim, quanto menor o I _G / I _D taxa de intensidade de pico de um espectro Raman, maiores serão os defeitos e distúrbios das estruturas grafitadas no WO ₃ / GR compósito devido à alta temperatura de quase 400 ° C. Devido ao modo de alongamento O – W – O na amostra de WO ₃ / GR composto, vibrações Raman centradas em 815 cm ^{- 1} , a característica de WO ₃ puro foi detectado, o que foi constantemente reduzido na amostra de WO ₃ / GR composto. É digno de nota que a banda G de WO ₃ / GR aumentou de 1584 para 1599 cm ⁻¹ em comparação com o grafeno. Esta mudança para cima da banda G foi a evidência geral de dopagem química de materiais de carbono. A tendência aqui é consistente com estudos anteriores com o doping do tipo p do grafeno, levando a um aumento da banda G. De acordo com o deslocamento da banda G Raman, transferência de carga entre o grafeno e o WO ₃ no WO ₃ / GR composto foi demonstrado [26, 27]. O pico 2D mudou para comprimentos de onda mais longos, o que também verifica se o grafeno foi efetivamente dopado com p. A banda 2D localizada em 2691 cm ⁻¹ para grafeno puro (não dopado) e redondo a 2700 cm ⁻¹ para grafeno dopado com p, respectivamente [28].

a Os espectros Raman de amostras preparadas. b Imagem de mapeamento Raman de pico G de amostras preparadas. c Espectros de absorção de UV-vis de amostras preparadas. d Determinação da lacuna de energia das amostras

Os dados Raman de WO ₃ / GR compostos foram extraídos para o mapeamento de intensidade, e a Fig. 2b mostra a imagem de mapeamento de pico Raman G do WO ₃ / GR compósitos obtidos da banda G do grafeno. As regiões “brilhantes” com alta intensidade ilustram a presença do grafeno, e pode ser confirmado que grafeno dopado com p e defeitos existem nos materiais estratificados devido às regiões locais de alto brilho. Além disso, as regiões “escuras” estão relacionadas ao WO ₃ informações, que apresentam a grande distribuição de área do grafeno nos materiais estratificados [29].

Os espectros de UV-vis foram tratados como um método-chave para obter as propriedades de absorção de luz dos fotocatalisadores. Para analisar a interação do grafeno e WO ₃ , Os espectros de absorção de UV-vis foram registrados como mostrado na Fig. 2c. A equação αhʋ = A × (hν-Eg) ^{n / 2} foi usado, onde α, ν, Eg, e A são o coeficiente de absorção, a frequência da luz, o gap e uma constante, respectivamente [30]. O (αhν) ^1/2 As curvas -hν das amostras preparadas são mostradas na Fig. 2d. De acordo com os resultados, a absorção de luz de WO ₃ / GR na região de luz visível era mais sensível do que WO ₃ puro . A mistura de grafeno no WO ₃ melhorou a capacidade de absorção à luz. Comparado com WO ₃ puro , a lacuna de banda de WO ₃ / GR foi reduzido de 3,88 para 3,68 eV (Fig. 2d). De acordo com o desvio para o vermelho e o aumento da absorção de luz, WO ₃ / GR exibe a atividade aprimorada para separar elétrons e lacunas.

A degradação dos antibióticos oxitetraciclina

Os papéis detalhados relacionados com o grafeno dopado em fotocatalisadores de óxido semicondutor parecem ser complicados, de modo que mais trabalhos em pesquisas fundamentais são desenvolvidos seguindo essa direção. As habilidades fotocatalíticas dos fotocatalisadores à base de grafeno podem ser melhoradas com o fortalecimento da condutividade eletrônica e da mobilidade do portador. O grafeno condutor pode receber os elétrons fotoexcitados como reservatórios ao acoplar o grafeno e os semicondutores. Consequentemente, a concentração de elétrons fotoexcitados diminuiu no semicondutor, suprimindo significativamente suas corrosões redutivas [31]. Atividade fotocatalítica e cinética de reação de WO ₃ / GR, WO ₃ foram observados durante a degradação de antibióticos oxitetraciclina usando luz UV (365 nm) como mostrado na Fig. 3. A atividade fotocatalítica do compósito com fotocatalisador e sem fotocatalisador foi determinada aqui em luz UV para comparação. Após um intervalo de tempo específico sob luz ultravioleta, a intensidade de pico da oxitetraciclina associada às características de absorção de ultravioleta da molécula de oxitetraciclina a 275 nm diminuiu gradualmente após 160 min, conforme mostrado nas Fig. 3a e b. Comparado com WO ₃ , WO ₃ / GR levou a uma alta degradação da oxitetraciclina. A cinética de degradação da oxitetraciclina sob luz ultravioleta pode ser obtida por reação de pseudo-primeira ordem, onde C0 e C são iniciais e concentração em determinado tempo de degradação t e k é a constante de taxa, respectivamente. O diagrama de ln (C / C0) foi traçado como uma função de t (Fig. 3c).
$$ \ mathrm {In} \ left (\ mathrm {C} / {\ mathrm {C}} _ 0 \ right) =kt $$

a Espectros UV-vis da degradação de antibióticos na presença de WO ₃ compósitos. b Espectros UV-vis da degradação de antibióticos na presença de WO ₃ / GR compostos. c Cinética do WO ₃ conforme preparado e WO ₃ / GR

O gráfico para WO ₃ / GR, WO ₃ ajustado linearmente, onde o coeficiente de correlação de R ² e o valor da constante de taxa k ( k _vazio =- 0,0034 min ⁻¹ , \ ({k} _ {{\ mathrm {WO}} _ 3} =- 0,0045 \ {\ min} ^ {- 1} \), \ ({k} _ {{\ mathrm {WO}} _ 3 / \ mathrm {GR}} =- 0,0054 \ {\ min} ^ {- 1} \)) mostram a maior atividade catalítica de WO ₃ / GR em comparação com WO ₃ . É porque a formação de heterojunções promove a separação de elétrons e lacunas. Buracos podem gerar ^• OH, que é considerada a principal espécie reativa para as reações de oxidação.

Comportamento eletroquímico dos materiais em camadas

A voltametria cíclica é considerada o método de análise das características fotoeletrocatalíticas do WO ₃ / GR / Cu e WO ₃ / Eletrodos de Cu para a redução de hidrogênio, conforme mostrado nas Fig. 4a e b. Sob a ação da luz ultravioleta, a corrente do eletrodo de Cu sob luz ultravioleta (8,5 mA) é maior do que no escuro (4 mA). A corrente de WO ₃ / O eletrodo de Cu mostrou uma ligeira diferença entre uma condição escura e a luz ultravioleta. Além disso, WO ₃ O eletrodo / GR / Cu mostrou menor sobrepotencial em - 0,08 V do que WO ₃ / Eletrodo de Cu a - 0,06 V. A redução do hidrogênio do catalisador gerou a resposta WO ₃ site redox. De acordo com todos os resultados acima, ficou claro que WO ₃ O eletrodo / GR / Cu foi mais eficiente e apresentou propriedades funcionais aprimoradas em comparação com o WO ₃ / Cu. Isso sugeriu que a presença de grafeno sob luz ultravioleta levou ao menor valor potencial e aumentou as correntes de redução sob efeitos de dopagem fotoinduzida, que excitou mais elétrons de WO ₃ ao grafeno.

Aplicação eletrocatalítica de materiais em camadas sintetizados CVD WO ₃ / GR e WO ₃ . a , b Curvas CV de WO ₃ conforme crescido / GR, WO ₃ em folha de cobre. c , d espectros de impedância eletroquímica de WO ₃ / GR, WO ₃ flocos, bem como o substrato de folha de Cu

As características interfaciais do eletrodo modificado, que foram de grande importância para a condutividade elétrica, e as propriedades eletrocatalíticas do eletrodo modificado foram analisadas aqui por EIS. A cinética de transferência de elétrons e as características de difusão podem ser concluídas a partir da forma do espectro de impedância eletroquímica. A porção semicircular, Ret, obtida em frequências mais altas representa um processo limitado por transferência de elétrons, e a porção linear em frequências mais baixas foi atribuída à transferência de massa limitada do íon de amostra como preparado [32, 33]. A Figura 4c e d mostram os resultados de EIS para eletrodos de WO ₃ / GR / Cu e WO ₃ / Cu. WO ₃ O eletrodo / GR / Cu mostra um arco semicírculo deprimido melhor em comparação com o WO ₃ / Eletrodo de Cu, representando um excelente processo de transferência de elétrons de difusão no WO ₃ Superfície do eletrodo / GR / Cu. Sob luz ultravioleta, WO ₃ / O eletrodo de Cu ainda mostra o arco do semicírculo deprimido inferior (Ret de 50 (Z ′ / Ω)) em comparação com Ret (75 (Z ′ / Ω)) no escuro. Observe que sob a luz ultravioleta, WO ₃ O eletrodo / GR / Cu mostra um arco de semicírculo relativamente óbvio (Ret =42 (Z ′ / Ω)), indicando um comportamento de resistência de transferência de elétrons mais alto do que Ret (38 (Z ′ / Ω)) no escuro. O aumento no valor da resistência de transferência de elétrons (Ret) devido aos efeitos de dopagem fotoinduzidos melhorou o nível de energia de Fermi do grafeno na superfície do eletrodo sob luz ultravioleta. Esses resultados também demonstraram que o grafeno pode melhorar a taxa de transferência de elétrons entre o eletrodo e WO ₃ , o que é consistente com os resultados do CV.

Os comportamentos de transferência de carga do WO ₃ / GR Dispositivo Composto

Comportamentos de transferência de carga no WO ₃ / GR camadas de materiais podem ser pesquisados sob luz ultravioleta, como mostrado na Fig. 5. As características I – V e I – T típicas do dispositivo fabricado a partir de WO ₃ / GR composto e o dispositivo de referência com WO ₃ puro foram medidos no escuro e sob luz ultravioleta a 253 nm com a intensidade de 0,3 mW / cm ² como mostrado na Fig. 5a e b [34]. A fotocorrente do WO ₃ / GR dispositivo composto foi quase 106 vezes maior do que o dispositivo de referência de WO ₃ puro . Observe que a fotocorrente foi menor do que a corrente escura do WO ₃ / GR composto, que é significativamente diferente do dispositivo de referência do WO ₃ puro . As características I – V típicas do dispositivo eram semelhantes às características I – T (Fig. 5c, d). O WO ₃ / A resistência R do GR com iluminação ótica era maior do que no escuro devido ao efeito dopagem fotoinduzido. O WO ₃ / GR A resistência R mostrou um valor constante de cerca de milhares de ohms com excitação óptica e condições de escuridão. No entanto, o dispositivo de referência, WO puro ₃ a resistência ainda mostrou características essenciais do semicondutor [35].

Observação experimental de características em WO ₃ / GR dispositivo comparado com o WO ₃ puro dispositivo. a Fotocorrente de WO ₃ / GR. b Fotocorrente de WO ₃ . c Fotoresistência de WO ₃ / GR. d Fotoresistência de WO ₃

A Figura 6 mostra as características de WO ₃ / GR após dopagem por modulação foto-induzida. Rota atual e distribuição de carga no WO ₃ / GR dispositivo sob luz ultravioleta são mostrados na Fig. 6a e b. Cargas positivas acumuladas em WO ₃ sob iluminação. A corrente mais alta do WO ₃ / O dispositivo de compósito GR deve ser atribuído à melhor condutividade do compósito por meio de GR. O grafeno pode criar um contato Schottky na interface com WO ₃ , formando assim resistência R _WG [36]. O dispositivo pode ser modelado pelo circuito, conforme mostrado na Fig. 6c. Devido a WO ₃ resistência R _W>> ( R _WG + R _G ), a corrente do dispositivo foi decidida por R _WG + R _G . Portanto, as propriedades de condutividade foram significativamente melhoradas na presença de grafeno.

Características de WO ₃ / GR após dopagem por modulação foto-induzida. a , b Rota atual e distribuição de carga no WO ₃ / Dispositivo GR em caso de luz ultravioleta. Cargas positivas se acumulam em WO ₃ sob iluminação leve. Amarelo, Cr / Au; verde, WO ₃; vermelho, grafeno; azul, SiO ₂; cinza, Si. c Modelo de circuito equivalente do WO ₃ / Dispositivo GR. d Esquemas da estrutura de bandas do WO ₃ / Heteroestrutura GR e ilustração do mecanismo de fotodopagem, em que a excitação óptica primeiro excita elétrons de defeitos em WO ₃ . As linhas vermelhas (azuis) representam a banda de condução (valência). Os elétrons excitados entram no grafeno, e os defeitos carregados positivamente levam à modulação dopagem no grafeno

Esquemas da estrutura de bandas do WO ₃ Os compósitos híbridos / GR e o diagrama do mecanismo de dopagem foto-induzido são mostrados na Fig. 4d. O WO ₃ / Dispositivo de heteroestrutura GR sem iluminação de luz é consistente com o resultado anterior de um transistor de grafeno dopado tipo p estável, no qual elétrons foram transferidos do filme fino de grafeno para WO ₃ . Inicialmente, o grafeno foi dopado em buracos no escuro, e um campo elétrico apareceu do grafeno ao silício. Conforme mostrado na Fig. 6d, quando o dispositivo estava sob luz ultravioleta, por um lado, os elétrons na banda de valência (VB) de WO ₃ ficaram entusiasmados com a banda de condução para criar pares elétron-buraco [37,38,39]. Por outro lado, elétrons de defeitos semelhantes ao doador em WO ₃ foram excitados por fótons para a banda de condução. Os defeitos ionizados foram carregados positivamente e localizados no WO ₃ . Esses elétrons excitados em ambos os casos podem ser móveis, mover-se em direção a, e então entrar no grafeno. Foi sugerido que a transferência significativa de elétrons foto-induzida ocorreu a partir de WO ₃ ao grafeno no WO ₃ / Dispositivo GR [40].

Os elétrons excitados entraram no grafeno, e os defeitos carregados positivamente levaram à modulação dopagem no grafeno. Sob esta modulação dopagem no grafeno, WO ₃ Heterojunção / GR emergiu. Posteriormente, os dados experimentais mostram uma diminuição da condutividade com o aumento da energia de Fermi, EF do grafeno, levando a uma diminuição lenta da fotocorrente UV. Isso é bem consistente com o modelo teórico [41]. É, portanto, sugerido que o comportamento de transporte do dispositivo será totalmente diferente do WO ₃ puro quando o WO ₃ / GR dispositivo é exposto à luz. Efeitos de dopagem fotoinduzidos também foram relatados por alguns autores. Tiberj et al. relataram que a densidade do portador de carga do grafeno pode ser sintonizada fina e reversivelmente entre o buraco e o doping eletrônico devido ao doping foto-induzido, que foi significativamente afetado pelo método de limpeza do substrato [42]. Ju et al. mostraram que a dopagem fotoinduzida pode manter a alta mobilidade de portadores da heteroestrutura de grafeno / nitreto de boro [43].

Sob o efeito de dopagem induzido pela luz, a superfície de WO ₃ / GR, como as partículas fotossensíveis primárias, tem mais orifícios fotogerados do que o WO ₃ puro superfície sob luz ultravioleta. Os sites mais ativos do WO ₃ / GR poros de superfície, mais eficiente é a melhoria da fotossensibilidade [44]. Em geral, o grafeno condutor, como um mediador de transporte de elétrons, pode estender a vida útil de portadores de carga fotogerados significativamente e fortalecer a extração e separação de carga. Por exemplo, Weng et al. montou o grafeno-WO ₃ nanocompósitos de nanobastões, que melhoraram o desempenho fotocatalítico de luz visível em comparação com WO ₃ nanorods [45, 46]. Portanto, como melhorar o processo de fotodegradação da dopagem fotoinduzida por dopagem com grafeno deve ser explorado. Pode estar relacionado à intensidade da luz ultravioleta, concentração de dopante e assim por diante [47, 48]. Chu et al. fabricado GR – WO ₃ compósitos misturados com diferentes quantidades de grafeno (0, 0,1, 0,5, 1 e 3% em peso). Além disso, o sensor é baseado em 0,1% em peso GR – WO ₃ composto exibe boa seletividade e alta resposta em comparação com aqueles de WO ₃ puro [49, 50]. Pode ser baseado na razão que a proporção excessiva de grafeno absorvido na superfície de WO ₃ , diminuindo a quantidade de sites ativos. Posteriormente, a proporção adequada de WO ₃ e o grafeno pode obter o melhor efeito experimental. Akhavan et al. também analisou as características do TiO ₂ / GO (óxidos de grafeno) folhas em diferentes tempos de irradiação [51]. Eles descobriram que o GO pode ser reduzido fotocataliticamente e os defeitos de carbono aumentados sob irradiação, o que foi considerado em parte devido ao doping fotoinduzido aqui [52]. Nesse sentido, este estudo desenvolve uma nova rota para explorar comportamentos de transferência de portadores e efeitos de dopagem foto-induzidos em materiais fotodegradantes à base de grafeno.

Conclusão

Neste estudo, as atividades fotocatalíticas dos materiais em camadas foram avaliadas pela degradação fotocatalítica de antibióticos oxitetraciclina sob luz ultravioleta. Uma corrente mais alta de voltametria cíclica e grande resistência de espectros de impedância com o WO conforme crescido ₃ / GR sintetizado diretamente em folhas de Cu sob luz ultravioleta através do comportamento eletroquímico foram obtidos, que também foi diferente do WO ₃ tradicional catalisadores. As características de WO ₃ / materiais em camadas de grafeno foram investigados sob a espectroscopia Raman, espectroscopia UV-vis e SEM. Todos os resultados mostram que o p-grafeno emerge e realça as características do WO ₃ / GR film. As pilhas de grandes áreas WO ₃ / Os materiais em camadas de GR foram projetados no substrato de Si usando uma abordagem CVD modificada e WO ₃ / GR e WO ₃ os filmes foram fabricados em um material de eletrodo de folha de ouro para comparação. Devido aos efeitos de dopagem fotoinduzidos, o teste de corrente-voltagem sugeriu que a foto-resistência era maior do que a resistência no escuro, e a fotocorrente era menor do que a corrente escura com base no WO ₃ / Materiais em camadas de GR, que eram diferentes das características de WO ₃ materiais em camadas. Além disso, os comportamentos de transporte de carga do p-grafeno podem ser modificados para melhorar a capacidade fotocatalítica. O grafeno atua como o aceitador de elétrons fotogerados e suprime efetivamente a recombinação de carga no WO ₃ / Materiais em camadas GR. This study is considered a significant advance towards unraveling photocatalytic dynamics processes based on graphene and oxide semiconductor. Hopefully, these results can motivate scientists to explore high efficient catalysts for related applications.