CdS Nanoparticle-Modified α-Fe2O3 / TiO2 Nanorod Array Photoanode para eficiente fotoeletroquímica oxidação de água

Resumo

Neste trabalho, demonstramos um processo de adsorção e reação de camada iônica sucessiva fácil, acompanhado por método hidrotérmico para sintetizar α-Fe modificada por nanopartículas de CdS ₂ O ₃ / TiO ₂ matriz de nanorods para oxidação eficiente de água fotoeletroquímica (PEC). Ao integrar CdS / α-Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ sistema ternário, a capacidade de absorção de luz do fotoanodo pode ser efetivamente melhorada com uma resposta óptica obviamente ampliada para a região de luz visível, facilita muito a separação de portadores fotogerados, dando origem ao aumento do desempenho de oxidação de água PEC. É importante ressaltar que para a heteroestrutura anormal do tipo II projetada entre Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ , a posição da banda de condução de Fe ₂ O ₃ é maior do que o TiO ₂ , os elétrons fotogerados de Fe ₂ O ₃ irá se recombinar rapidamente com os orifícios fotogerados do TiO ₂ , portanto, leva a uma separação eficiente de elétrons fotogerados de Fe ₂ O ₃ / buracos de TiO ₂ no Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ interface, melhorando significativamente a eficiência de separação de orifícios fotogerados dentro de Fe ₂ O ₃ e aumenta a eficiência da injeção de elétrons fotogerados em TiO ₂ . Trabalhando como fotoanodos da oxidação da água PEC, CdS / α-Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ eletrodo de heteroestrutura exibe densidade de fotocorrente melhorada de 0,62 mA cm ^{- 2} a 1,23 V vs. eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) em eletrólito alcalino, com um potencial de início obviamente desviado negativamente de 80 mV. Este trabalho fornece métodos promissores para melhorar o desempenho de oxidação de água PEC do TiO ₂ fotoanodos com base em heteroestrutura.

Histórico

Para resolver o grave problema de poluição e recursos limitados de fósseis, a separação fotoeletroquímica (PEC) da água para produzir hidrogênio tem sido considerada uma das estratégias mais promissoras para a conversão de energia solar. Desde o primeiro relatório sobre a oxidação da água PEC com base em TiO ₂ [1], TiO ₂ tem chamado muita atenção como os materiais fotoanódicos para a oxidação da água PEC, devido às suas propriedades PEC estáveis, forte resposta óptica e posição da banda de energia adequada [2, 3]. No entanto, o desempenho PEC do TiO original ₂ o fotoanodo é muito confinado pela lenta cinética de oxidação da água originada da fraca capacidade de separação de portadores fotogerados e capacidade insuficiente de absorção de luz [4, 5].

Portanto, várias estratégias foram tomadas para melhorar o desempenho de oxidação de água PEC de TiO puro _2, tais como modificação de superfície [6], sensibilização de pontos quânticos e construção de heterojunção [7, 8]. Um método eficiente para melhorar o desempenho da separação de portadores fotogerados é construir fotoanodo heteroestruturado. Por exemplo, construir heterojunção entre TiO ₂ e outros semicondutores de óxido de metal com estruturas de banda de energia correspondentes (como Co ₃ O ₄ / TiO ₂ [9] e ZnIn ₂ S ₄ / TiO ₂ [10, 11]) pode efetivamente facilitar a separação de elétrons fotogerados e buracos; portanto, desempenho de divisão de água PEC do TiO primitivo ₂ pode ser obviamente aprimorado. Entre vários semicondutores de óxido metálico, hematita (α-Fe ₂ O ₃ ) é considerado um material de fotoanodo promissor por causa do gap adequado (~ 2,0 eV) para coleta de luz solar, excelente estabilidade e baixo custo [12]. Além disso, a eficiência teórica de conversão de energia (PCE) de α-Fe ₂ O ₃ pode chegar a 15,3%, com uma densidade de fotocorrente de 12,6 mA cm ^{- 2} a 1,23 V vs. eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) sob a irradiação solar padrão [13]. Portanto, construindo α-Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ fotoanodo heteroestruturado não pode apenas melhorar o desempenho de separação da portadora no TiO ₂ mas também estende efetivamente a faixa de absorção de luz do TiO ₂ . Enquanto isso, de acordo com algumas pesquisas mais recentes, α-Fe ₂ O ₃ os fotoanodos sofrem de curta vida útil do par elétron-buraco e comprimento de difusão do buraco (2–4 nm), o que resulta em alta taxa de recombinação de portadores fotogerados, dificultando a melhoria do desempenho do PEC [12]. Nesse caso, para melhorar ainda mais o desempenho de separação da água PEC do Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ fotoanodos, alguns semicondutores de gap estreito, como CdS [14, 15] e PbS [16], podem ser acoplados para facilitar a separação de portadores fotogerados. Entre eles, CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ fotoanodo heteroestruturado é considerado uma escolha promissora com gap combinado e faixa de absorção de luz expandida. Além disso, o processo de transporte de portadores pode ser efetivamente melhorado porque os portadores fotogerados podem ser separados rapidamente na interface de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ , diminuindo assim muito as taxas de recombinação de portadores.

Além disso, para construir um eletrodo avançado para o sistema de divisão de água PEC, os materiais do eletrodo devem possuir as características como capacidade suficiente de captura de luz incidente e túneis para transporte de carga. Em comparação com os fotoanodos planares gerais, os fotoanodos de matriz de nanobastões unidimensionais (1D) (NR) exibem bom desempenho de coleta de luz incidente devido aos processos de multi-espalhamento aprimorados [17], o que levaria a um desempenho de oxidação de água PEC aprimorado. Além disso, é relatado que a matriz 1D NR também exibe excelente desempenho de transporte de portadores, uma vez que os portadores fotogerados podem transportar diretamente ao longo do NR, assim, a recombinação direta de portadores na fronteira do cristal pode ser evitada de forma eficaz [18]. Além disso, a fim de aumentar ainda mais a área de superfície de tais arranjos 1D NR, que podem trazer mais locais de reação PEC e melhorar o desempenho do PEC, espera-se 1D NR com nanoestruturas ramificadas [19]. Essa arquitetura integrada oferece um longo caminho óptico para coleta de luz eficaz, curta distância de difusão para excelente transporte de carga e grande área de superfície para rápida coleta de carga interfacial, o que é de grande benefício para o aprimoramento do desempenho do PEC. Portanto, seria de particular interesse projetar um Fe ₂ modificado com CdS O ₃ / TiO ₂ Heteroestrutura NR array para oxidação de água PEC.

Aqui, relatamos um método hidrotérmico de adsorção e reação de camada iônica sucessiva fácil (SILAR) para sintetizar Fe modificado por CdS ₂ O ₃ / TiO ₂ Matriz NR para oxidação de água PEC eficiente. O estudo UV-vis confirma o CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A matriz NR exibe excelente desempenho de resposta óptica com uma faixa de absorção de luz claramente ampliada. O processo de transferência de carga aprimorado e a taxa de recombinação de carga diminuída podem ser evidenciados por meio do espectro PL e gráficos EIS. Aplicado como fotoanodo para oxidação de água PEC, CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A matriz NR exibe densidade de fotocorrente bastante aprimorada de 0,62 mA cm ^{- 2} (1,23 V vs. RHE) em eletrólito alcalino em comparação com TiO puro ₂ (0,32 mA cm ^{- 2} a 1,23 V vs. RHE). Acredita-se que a rota de síntese e a aplicação do CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A matriz NR atualmente relatada é de grande importância e pode ser aplicada em outros dispositivos fotovoltaicos e fotoeletrônicos.

Métodos

Preparação de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Fotoanodo heteroestruturado NR

Síntese de TiO ₂ Matriz NR

Para sintetizar TiO ₂ Matriz NR no vidro FTO, o FTO foi cortado em retângulo e ultrassonicamente limpo com água deionizada, acetona e etanol, sucessivamente. Em seguida, o FTO foi colocado na autoclave contendo uma solução mista de água desionizada (20 ml), ácido clorídrico (20 ml) e isopropóxido de titânio (1,1 ml) e cozido a 160 ° C por 6 h. Após a reação, o FTO foi lavado com água desionizada e etanol por várias vezes e, em seguida, foi recozido ao ar a 450 ° C por 0,5 h.

Síntese de Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Matriz NR

Para crescer α-Fe ₂ O ₃ no TiO ₂ NR, conforme obtido TiO ₂ A matriz NR foi colocada em uma solução mista de FeCl ₃ (15 ml, 0,1 M) e NaNO ₃ (15 ml, 0,5 M) e depois transferidos para a autoclave. Aquecendo a 100 ° C durante 2 h, a autoclave foi arrefecida à temperatura ambiente e o substrato FTO foi lavado com água desionizada e etanol várias vezes. Finalmente, o substrato FTO foi recozido ao ar a 450 ° C por 1 h.

Síntese de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR

O α-Fe obtido ₂ O ₃ / TiO ₂ A matriz NR foi pré-tratada com uma solução de etanol de ácido mercaptopropinioc (MPA, 0,3 M) durante a noite a 50 ° C e depois lavada com etanol para remover o excesso de MPA. Para depositar a camada de CdS, um método fácil de adsorção e reação de camada iônica (SILAR) é aplicado. A matriz NR pré-tratada foi sucessivamente imersa em quatro soluções diferentes por 30 s, incluindo Cd (NO ₃ ) ₂ · 4H ₂ O (etanol, 0,1 M), etanol puro, Na ₂ S · 9H ₂ O (metanol, 0,2 M) e metanol puro, respectivamente. O processo SILAR foi repetido cinco vezes e, em seguida, o substrato foi lavado com metanol para remover o CdS extra.

Caracterização de materiais

As estruturas de fase foram caracterizadas por difratômetro de pó de raios-X (XRD) em uma faixa 2θ de 20 a 80 °. A morfologia dos produtos foi estudada com microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FE-SEM) acoplada à espectroscopia de raios-X dispersiva de energia (EDS). Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram coletadas por meio do equipamento Tecnai 20 U-Twin. Os espectros de absorção e fotoluminescência (PL) foram testados com TU-1900 e Hitachi U-4100, respectivamente.

Caracterização do desempenho fotoeletroquímico

O desempenho de oxidação da água do PEC foi caracterizado com a estação eletroquímica CHI660E com modo de três eletrodos. O eletrólito aplicado consistia em NaOH 1M. Antes do teste, o sistema foi borbulhado com argônio por 30 min para remover o gás dissolvido do eletrólito. Os voltamogramas de varredura linear (LSV) e cronoamperométricos I- t curvas foram registradas sob iluminações de luz solar padrão (100 mW cm ^{- 2} ) Os gráficos de Mott-Schottky foram medidos no escuro a uma frequência AC de 1,0 kHz.

A partir de agora, o potencial do eletrodo foi convertido no potencial RHE com a equação de Nernst:
$$ {E} _ {\ mathrm {RHE}} ={E} _ {\ mathrm {Ag} / \ mathrm {AgCl}} + 0,059 \ \ mathrm {pH} + {E ^ o} _ {\ mathrm { Ag} / \ mathrm {AgCl}} $$ (1)
onde E _RHE foi o potencial convertido vs. RHE, E _{Ag / AgCl} foi o potencial medido em relação ao eletrodo Ag / AgCl, e E ^o _{Ag / AgCl} =0,1976 V a 25 ° C.

Resultado e discussão

Caracterização da estrutura e morfologia

As estruturas de fase dos produtos sintetizados são caracterizadas pelos padrões de XRD na Fig. 1. Como mostrado na Fig. 1a, o rutilo TiO ₂ nanorod arrays (NR) são sintetizados com sucesso. Os picos de difração a 36,0 °, 44,1 °, 54,3 °, 62,7 °, 64,0 °, 65,4 ° e 69,8 ° correspondem bem a (101), (210), (211), (002), (310), (221 ), e (112) planos de rutilo TiO ₂ (JCPDS. 21-1276). Após a deposição de Fe ₂ O ₃ , os picos de difração de XRD adicionais em 32,9 ° e 45,2 ° podem ser indexados em (222) e (332) planos de Fe ₂ O ₃ (JCPDS. 39-0238). O processo SILAR é aplicado para crescer nanopartículas de CdS, os picos de difração em 26,4 °, 28,2 ° correspondendo bem a (002) e (101) planos de CdS (JCPDS. 65-3414) confirmam o crescimento de sucesso de nanopartículas de CdS em Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ . A imagem SEM na Fig. 1b mostra que TiO ₂ Os NRs crescem uniformemente no substrato FTO com um diâmetro de 50 nm. A superfície NR é relativamente lisa. Após o crescimento de Fe ₂ O ₃ na superfície do TiO ₂ , o diâmetro de Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ gests maiores e aumentam para 60 nm. Além disso, a superfície dos NRs fica muito mais áspera. A deposição adicional de nanopartículas de CdS pode causar um aumento no diâmetro do Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR composto. Para confirmar ainda mais a distribuição do elemento do CdS / Fe obtido ₂ O ₃ / TiO ₂ NR, as imagens de mapeamento EDS de visualização cruzada são registradas e mostradas no arquivo adicional 1:Figura S1, arquivo adicional 2:Figura S2. Pode-se observar que os elementos Ti, Fe, Cd e S estão uniformemente distribuídos entre as amostras.

a Os padrões XRD e b Imagens SEM do TiO ₂ NR, Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR e CdS / Fe ₂ O ₃

A imagem HRTEM e o padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Os NR são mostrados na Fig. 2. Pode-se observar que ambos TiO ₂ e Fe ₂ O ₃ são bem cristalizados e as nanopartículas de CdS são cultivadas na superfície de Fe ₂ O ₃ . O espaçamento da rede de 0,31, 0,27 e 0,21 nm pode corresponder bem ao plano (101), (222) e (210) de CdS, Fe ₂ O ₃ e TiO ₂ , respectivamente (Fig. 2a). Os anéis de difração do padrão SAED registrado na Fig. 2b podem ser vistos, os quais podem ser bem indexados em (101), (210) planos de rutilo TiO ₂ , (222), (332) planos de Fe ₂ O ₃ , e (002), (101) planos de CdS, respectivamente. Os resultados de TEM estão em boa concordância com os resultados de caracterização de XRD.

a Imagem HRTEM de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR. O espaçamento d marcado de 0,31 nm corresponde bem ao plano (101) do CdS, o espaçamento d de 0,27 nm corresponde bem ao plano (222) do Fe ₂ O ₃ e o espaçamento d de 0,21 nm corresponde bem ao plano (210) de TiO ₂ . b Padrão de difração de elétrons de área selecionada de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR, os anéis de difração correspondem aos (002), (101) planos de CdS, (222), (332) planos de Fe ₂ O ₃ e (101), (210) planos de TiO ₂

A composição química e os estados de valência do CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NRs híbridos são estudados por espectros XPS. A Figura 3a mostra os espectros de pesquisa, a existência de elementos Ti, Fe, O, Cd e S são demonstrados. A aparência do elemento C é atribuída à contenção à base de carbono. Para o espectro Ti 2p XPS na Fig. 3b, esses dois picos distintos divididos em 458,2 e 464,2 eV podem ser atribuídos a Ti 2 p _3/2 e 2 p _1/2 de TiO ₂ [20]. O espectro XPS de Fe 2p é mostrado na Fig. 3c. Dois picos distintos em 710,6 e 724,10 eV podem ser vistos, os quais correspondem bem a Fe 2 p _3/2 e 2 p _1/2 picos de α-Fe ₂ O ₃ [21]. O espectro XPS de nível central de O 1s é mostrado na Fig. 3d, onde o pico em 531,2 eV é atribuído à ligação Ti – O entre titânio e oxigênio, e o pico em 531,9 eV pode ser atribuído à ligação Fe – O entre ferro e oxigênio [20, 21]. A Figura 3e mostra o espectro XPS do Cd, que é atribuído ao Cd 3d _5/2 em 405,2 eV. O espectro XPS de S 2P é mostrado na Fig. 3f [22]. O pico central é dividido em dois picos de S 2p _1/2 e 2p _3/2 em 161,5 e 162,6 eV [22].

a Espectros XPS de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Amostra NR, b Espectros XPS de Ti 2p incluindo Ti 2p _1/2 e Ti 2p _3/2 , c Espectros XPS de Fe 2p incluindo Fe 2p _1/2 e Fe 2p _3/2 , d Espectros XPS de O 1s incluindo ligação Fe – O e ligação Ti – O, e Espectros XPS de Cd 3d _5/2 , e f Espectros XPS de S 2p incluindo S 2p _1/2 e S 2p _3/2

A Figura 4a mostra os espectros de absorção de diferentes fotoeletrodos. TiO ₂ mostra uma borda de banda de absorção típica em 400 nm, que pode ser atribuída à absorção de gap intrínseco de TiO ₂ (3,2 eV). Após o acoplamento com Fe ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ mostra absorção aumentada na região da luz visível em cerca de 540 nm. A extensão da borda da banda de absorção é devido ao componente sensível ao visível do Fe ₂ O ₃ (2,0–2,2 eV). Após a modificação das nanopartículas de CdS, a borda de absorção de luz pode ser estendida para 580 nm. Ele confirma que o acoplamento TiO ₂ com Fe ₂ O ₃ e o CdS pode ajustar efetivamente a propriedade de absorção de luz para a região de luz visível. O espectro de fotoluminescência (PL) é aplicado para estudar a influência da incorporação de CdS e Fe ₂ O ₃ no CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ híbrido no comportamento de transporte e recombinação de portadores fotogerados. Quanto menor a intensidade do pico PL, maior a eficiência de separação dos pares de portadores fotogerados nas amostras. A Figura 4b mostra os espectros PL de TiO ₂ , Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ amostras. É óbvio que Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR atinge menor taxa de recombinação de portadores do que TiO puro ₂ e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR atinge o melhor desempenho de transporte de transportadora.

a Espectro de absorção de UV-vis e b Espectros PL de TiO ₂ NR, Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Amostras NR

A fim de confirmar ainda mais esta conclusão, os gráficos de transientes de fluorescência resolvidos em picossegundos são testados e mostrados como Arquivo adicional 3:Figura S3. A vida útil média τ é calculado de acordo com τ =(B ₁ τ ₁ [2] + B ₂ τ ₂ [2]) / (B ₁ τ ₁ + B ₂ τ ₂ ) e a constante de tempo dos transientes de fluorescência em 511 nm está listada no arquivo adicional 4:Tabela S1 [23]. Pode-se ver que depois de modificar o TiO original ₂ com Fe ₂ O ₃ , a vida útil do portador fotogerado é prolongada. Juntamente com o CdS, a vida útil do portador pode ser ainda mais aprimorada. Este resultado demonstra obviamente que o desempenho da separação de carga pode ser efetivamente aprimorado pela formação de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ multi-junção.

O possível processo de transporte de portador é ilustrado na Fig. 5. No CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ sistema ternário, porque tanto a posição da banda de condução quanto a posição da banda de valência do CdS são maiores do que a do Fe ₂ O ₃ , os elétrons fotoinduzidos em CdS serão transportados para a banda de condução de Fe ₂ O ₃ , enquanto os orifícios fotoinduzidos na banda de valência em Fe ₂ O ₃ será transportado para o CdS. Para a heteroestrutura do tipo II anormal projetada entre Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ , a posição da banda de condução de Fe ₂ O ₃ é maior do que o TiO ₂ . Sob iluminação solar, pares de elétron-buraco fotoexcitados irão gerar ambos em TiO ₂ e Fe ₂ O ₃ . Elétrons fotogerados na banda de condução de Fe ₂ O ₃ irá imediatamente mover para a banda de valência de TiO ₂ para recombinar com os orifícios fotogerados, melhorando muito a eficiência de separação dos orifícios fotogerados dentro do Fe ₂ O ₃ e aumenta a eficiência da injeção de elétrons fotogerados em TiO ₂ [24, 25]. Isso implica que o acoplamento de TiO ₂ com Fe ₂ O ₃ e o CdS pode reduzir efetivamente a taxa de recombinação dos pares de portadores fotogerados. Enquanto isso, os elétrons fotogerados no TiO ₂ mova-se para o contra-eletrodo onde ocorre a reação de redução. Assim, a heteroestrutura anormal do tipo II entre Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ desempenha um papel importante no desempenho aprimorado de oxidação de água PEC.

As posições relativas da banda de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ sistema ternário

A Figura 6 representa voltamogramas de varredura linear (LSV) e cronoamperométrico I- t curvas de CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ , Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ e TiO ₂ amostras. Como mostrado na Fig. 6a, a densidade de fotocorrente de fotoanodos sob iluminação aumenta gradualmente após o acoplamento com α-Fe ₂ O ₃ e nanopartículas de CdS, e o CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A amostra NR exibe a maior densidade de fotocorrente de 0,61 mA cm ^{- 2} a 1,2 V vs. RHE, que é quase o dobro do TiO vazio ₂ amostra. I- t curvas em um potencial de polarização de 1,2 V vs. RHE sob iluminação cortada são mostradas na Fig. 6b, pode-se ver que as amostras permanecem excelente estabilidade e boa propriedade de resposta óptica sob iluminação cortada. CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A amostra NR mantém uma densidade de fotocorrente de cerca de 0,6 mA cm ^{- 2} , que está de acordo com as curvas LSV.

a Curvas LSV de TiO ₂ NR, Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Iluminação de amostras NR em NaOH 1M, b cronoamperométrica I- t curvas em um potencial de polarização de 1,2 V sob iluminação cortada

A medição EIS é realizada sob iluminação e os gráficos de Nyquist são mostrados na Fig. 7a e no arquivo adicional 5:Figura S4. Eles demonstram que os gráficos de Nyquist têm dois semicírculos com uma resistência de série de contato ( R _s ) no substrato FTO. O pequeno semicírculo nos gráficos de Nyquist é atribuído à resistência de transporte de carga na interface eletrodo / eletrólito, e o semicírculo grande representa a resistência de transferência de carga relacionada ao transporte / recombinação de elétrons dentro dos materiais fotoanódicos. A resistência da folha ( R _s ) do substrato, a resistência de transferência de carga do contraeletrodo ( R _ct1 ), e a resistência de transferência de carga ( R _ct2 ) foram simulados pelo software Zview e os dados correspondentes são mostrados no arquivo adicional 6:Tabela S2. O R equipado _s e R _ct1 os valores para todas as amostras são semelhantes devido à mesma configuração e substratos de crescimento são aplicados, enquanto o R _ct2 os valores mostram obviamente uma variação de 1079,5, 880,6 e 679,5 Ω para TiO ₂ , Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ , respectivamente. Pode ser visto que após modificar TiO ₂ com Fe ₂ O ₃ e CdS, a cinética de transferência de carga interfacial é muito melhorada.

a Espectros EIS medidos em um potencial de polarização de 1,2 V sob iluminação e b Gráficos de Mott-Schottky coletados a uma frequência de 1 KHz no escuro para o TiO ₂ NR, Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ NR e CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Amostras NR

Os gráficos de Mott-Schottky das amostras obtidas estão listados na Fig. 7b. As inclinações determinadas a partir dos gráficos de Mott-Schottky são usadas para estimar a densidade de portadores de acordo com a seguinte equação [26]:

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

onde e ₀ é a cobrança eletrônica, ε é a constante dielétrica da amostra, ε ₀ é a permissividade do vácuo, Nd é a densidade doadora e V é a tensão aplicada. Em geral, relativamente menor a inclinação representa maior densidade de portadores.

O potencial de banda plana pode ser estimado pela seguinte equação:
$$ \ frac {1} {C ^ 2} =\ frac {2} {e_0 {\ varepsilon \ varepsilon} _0 \ mathrm {Nd}} \ times \ left [E- {E} _ {\ mathrm {fb} } - \ frac {kT} {e} \ right] $$
O potencial de banda plana ( E _fb ) é determinado tomando o x interceptação de um ajuste linear ao gráfico de Mott-Schottky, 1 / C ² , em função do potencial aplicado ( E ) Além disso, uma mudança catódica notável no potencial plano de 0,44 V para TiO ₂ amostra para 0,36 V para o CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ Amostra NR foi observada. Isso sugere um maior acúmulo de elétrons na heterojunção e reflete a diminuição da recombinação de carga.

Deve-se notar que o desempenho de oxidação de água PEC de uma amostra de CdS / Fe2O3 / TiO2 sintetizada é comparável a alguns trabalhos relacionados. Por exemplo, Sharma et al. relatou Fe-TiO ₂ / Zn-Fe ₂ O ₃ filmes finos com desempenho de 0,262 mA cm ^{- 2} a 0,95 V (vs. SCE) [27], enquanto o FTO / Fe ₂ O ₃ / ZnFe ₂ O ₄ o fotoanodo atinge uma densidade de fotocorrente de 0,4 mA cm ^{- 2} [28]. Além disso, para o Fe relatado ₂ O ₃ / TiO ₂ fotoanodos de nanotubos, uma densidade de fotocorrente de 0,5 mA cm ^{- 2} é alcançado [29, 30]. Comparando com os trabalhos relacionados, pode-se verificar que obteve CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ o fotoanodo obtém um desempenho de separação de água PEC excelente e confiável aqui.

Conclusões

Em conclusão, um método hidrotérmico de adsorção e reação de camada iônica sucessiva fácil (SILAR) é desenvolvido para fabricar Fe modificado com CdS ₂ O ₃ / TiO ₂ Matriz NR para oxidação de água PEC eficiente. O estudo UV-vis confirma o CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ A matriz NR exibe excelente desempenho de resposta óptica com uma faixa de absorção de luz claramente ampliada. Aplicado como fotoanodo para oxidação de água PEC, CdS / Fe ₂ O ₃ / TiO ₂ O fotoanodo da matriz NR exibe densidade de fotocorrente bastante aprimorada de 0,62 mA cm ^{- 2} (1,23 V vs. RHE) em eletrólito alcalino em comparação com TiO puro ₂ (0,32 mA cm ^{- 2} a 1,23 V vs. RHE).

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