Bi2Se3 Sensitized TiO2 Nanotube Films untuk Proteksi Katodik Fotogenerasi Baja Tahan Karat 304 Di Bawah Cahaya Tampak

Abstrak

Titanium dioksida (TiO₂ ) susunan nanotube yang digabungkan dengan semikonduktor celah sempit—bismut selenide (Bi₂ Se₃ )—menunjukkan peningkatan luar biasa dalam properti perlindungan fotokatodik untuk baja tahan karat 304 di bawah cahaya tampak. Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit berhasil disintesis menggunakan metode dua langkah sederhana, termasuk metode anodisasi elektrokimia untuk pembuatan TiO murni₂ dan metode pengendapan rendaman kimia untuk mensintesis Bi₂ Se₃ bunga nano. Morfologi dan struktur film komposit dipelajari dengan pemindaian mikroskop elektron, spektroskopi dispersi energi, spektroskopi fotoelektron sinar-X dan difraksi sinar-X. Selain itu, pengaruh Bi₂ Se₃ konten pada sifat perlindungan fotoelektrokimia dan fotokatodik dari film komposit juga dipelajari. Kerapatan arus foto Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit secara signifikan lebih tinggi daripada TiO murni₂ di bawah cahaya tampak. Sensitizer Bi₂ Se₃ meningkatkan pemisahan yang efisien dari pasangan lubang elektron yang dihasilkan fotogenerasi dan sifat proteksi fotokatodik dari TiO₂ . Di bawah penerangan cahaya tampak, Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit yang disintesis dengan metode deposisi rendaman kimia dengan Bi³⁺ (0,5 mmol/L) menunjukkan kinerja proteksi katodik fotogenerasi optimal untuk baja tahan karat 304.

Latar Belakang

Sebagai bahan teknik yang penting, baja tahan karat telah banyak diterapkan pada proyek-proyek signifikan di berbagai bidang karena ketahanan korosinya yang sangat baik. Namun, baja tahan karat dapat mengalami korosi yang serius bila digunakan di lingkungan agresif tertentu, seperti lingkungan asam, serta di bawah kondisi yang mengandung klorida atau suhu tinggi [1,2,3,4]. Penelitian ekstensif dan aplikasi metode anti-korosi tradisional, termasuk pelapisan [5, 6], penggunaan anoda korban [7] dan perlindungan katodik arus yang terkesan [8, 9], telah dikembangkan selama beberapa dekade terakhir. Namun, teknologi anti korosi yang ramah lingkungan dan tahan lama tetap menjadi tujuan utama. Sebagai teknologi anti korosi baru, proteksi fotokatodik pertama kali diusulkan oleh Yuan dan Tsujikawa pada tahun 1995 [10] sebelum mendapat perhatian dari peneliti korosi [11,12,13,14].

Titanium dioksida (TiO₂ ) adalah bahan fotolistrik penting dengan konversi fotolistrik dan sifat fotokatalisis yang baik dan banyak digunakan dalam katalis [15], sel surya [16] dan sensor gas [17] karena biaya rendah, non-toksisitas dan sifat kimia yang stabil. TiO₂ dan TiO₂ komposit berbasis digunakan untuk perlindungan katodik fotogenerasi:teknik yang menjanjikan untuk pencegahan korosi yang telah mengalami perkembangan pesat dalam beberapa tahun terakhir [18,19,20,21,22,23]. Namun, celah pita (3.2 eV) dari TiO₂ membatasi respon foto hanya pada daerah ultraviolet, yang secara signifikan menekan rasio pemanfaatan tenaga surya. Selain itu, pembawa muatan yang diinduksi oleh foto dalam TiO kosong₂ nanopartikel menunjukkan masa pakai yang sangat singkat karena rekombinasi yang cepat dari pasangan lubang elektron yang tereksitasi oleh foto, yang mengurangi efek perlindungan fotokatodik dari TiO murni₂ film. Demikian cara mengatasi kekurangan TiO₂ di atas telah menjadi topik yang dipelajari secara luas. Banyak penelitian telah dilakukan pada peracikan TiO₂ dengan unsur nonlogam (F, N dan S) [12, 24, 25], atom logam (Fe, Co, Cu dan Ce) [26,27,28,29] dan beberapa nano-semikonduktor celah pita sempit (Ag₂ O, ZnSe, WO₃ , CdS, Ag₂ S, CdSe dan Bi₂ S₃ ) [30,31,32,33,34,35,36] untuk meningkatkan pemisahan pembawa dan pemanfaatan cahaya TiO₂ .

Bismut selenide (Bi₂ Se₃ ) adalah semikonduktor berlapis celah pita langsung dan anggota penting dari V₂ VI₃ keluarga majemuk. Ini memiliki koefisien penyerapan yang tinggi di daerah cahaya tampak dan inframerah dekat dengan celah pita sempit (0,35 eV) [37]. Sebagai kalkogenida tipe-n yang penting, Bi₂ Se₃ memiliki banyak karakteristik penting, seperti konduktivitas listrik yang tinggi [38], properti termoelektrik yang cukup besar [39], fotosensitifitas [40], properti elektrokimia [41] dan fotokonduktivitas [42]. Selanjutnya, Bi₂ Se₃ adalah isolator topologi populer [43,44,45] dan memiliki sifat unik dari keadaan permukaan konduktif dan keadaan curah terisolasi. Bi₂quality berkualitas tinggi Se₃ struktur nano telah disiapkan menggunakan metode deposisi fisik vakum tinggi, deposisi uap kimia, deposisi lapisan atom, deposisi laser berdenyut dan teknik uap-cair-padat pada suhu tinggi [44,45,46,47,48,49]. Metode sintetis ini untuk Bi₂ Se₃ membutuhkan fabrikasi yang sulit, yang menyebabkan biaya produksi tinggi. Dalam makalah ini, masalah di atas diatasi dengan menggunakan metode deposisi rendaman kimia yang murah dan sederhana untuk Bi₂ Se₃ deposisi nanoflower pada TiO₂ . Kombinasi n-Bi₂ Se₃ /n-TiO₂ heterojunction sebagai fotoanoda yang efisien diterapkan pada proteksi katodik fotogenerasi 304ss untuk pertama kalinya. Morfologi, struktur dan sifat penyerapan optik Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dipelajari dengan memindai mikroskop elektron (SEM), difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dan spektrum reflektansi difus sinar-UV (UV-Vis). , masing-masing.

Metode

Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini adalah kelas analitis dan digunakan sebagai diterima tanpa pemurnian lebih lanjut. Semua larutan berair disiapkan menggunakan air deionisasi.

Persiapan TiO₂ Film

Ti foil (20 mm × 10 mm × 0.3 mm;> 99,9% kemurnian) dipoles menggunakan campuran yang mengandung NH₄ F (2,25 g), H₂ O (12,5 mL), H₂ O₂ (30 wt%, 30 mL) dan HNO₃ (68% berat, 30 mL), dan kemudian, potongan Ti dibersihkan dengan air deionisasi dan etanol. TiO₂ film disiapkan pada foil Ti dengan metode oksidasi anodik yang dilaporkan dalam literatur [50]. Pelat Pt dipilih sebagai katoda, dan foil Ti adalah anoda pada 20 V selama 1 jam dalam larutan etilen glikol yang mengandung NH₄ F (0,22 g), H₂ O (4 mL) dan etilen glikol (40 mL) pada suhu sekitar. Setelah itu, sampel dibilas dengan air deionisasi dan etanol. Terakhir, spesimen dianil pada suhu 450 °C selama 2 jam dan didinginkan di udara sekitar untuk mendapatkan TiO₂ film.

Sintesis Bi₂ Se₃ pada TiO₂ Film

Bi₂ Se₃ disiapkan dengan metode deposisi mandi kimia. Dalam prosedur eksperimental, 8 mmol asam nitrilotriasetat (H₃ NTA) dan 0,4 mmol Bi(NO₃ )₃ ·5H₂ O ditambahkan ke air deionisasi (400 mL) untuk membentuk kelat bismut, dengan Bi³⁺ konsentrasi 1,0 mmol/L dalam larutan campuran. Dua milimol asam askorbat sebagai reagen pereduksi ditambahkan ke larutan di atas, dan kemudian, amonium hidroksida ditambahkan dengan hati-hati, tetes demi tetes, sampai pH campuran diatur menjadi sekitar 8,6~8,9 dan larutan campuran tampak tidak berwarna dan transparan. Akhirnya, Na₂ SeSO₃ (20 mL, 30 mmol/L) disuntikkan ke dalam larutan di atas. Dalam semua percobaan di atas, larutan berair diaduk secara menyeluruh dengan pengaduk magnet untuk mendapatkan larutan yang homogen. Kemudian, TiO₂ substrat direndam dalam larutan akhir (40 mL) dalam gelas kimia (100 mL). Gelas yang ditutup dengan cling film kemudian dipindahkan ke dalam oven yang dipanaskan pada suhu 80 °C selama 200 menit untuk mendapatkan Bi₂ Se₃ nanoflower pada TiO₂ substrat. Akhirnya, sampel dikeluarkan dari gelas kimia dan dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan etanol dan kemudian dibiarkan kering di udara sekitar. Dengan cara ini, Bi₂ Se₃ - TiO yang peka₂ film diperoleh dan diberi label dengan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0. Untuk mempermudah, jumlah Bi₂ . yang berbeda Se₃ pada TiO₂ substrat ditetapkan sebagai Bi₂ Se₃ /TiO₂ -γ dalam makalah ini, di mana menunjukkan konsentrasi Bi³⁺ di H₃ NTA dan Bi (TIDAK₃ )₃ ·5H₂ O solusi. Dengan jumlah reagen lain tetap konstan, Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0.5 dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 diperoleh untuk Bi³⁺ konsentrasi 0,5 mmol/L dan 0,25 mmol/L, masing-masing. Pengaruh jumlah yang berbeda dari Bi₂ Se₃ pada sifat proteksi fotoelektrokimia dan fotokatodik dari film komposit diselidiki dalam makalah ini.

Analisis Morfologi dan Komposisi

Pemindaian mikroskop elektron (SEM, Hitachi S-4800, Jepang) digunakan untuk menyelidiki morfologi film yang disiapkan. Spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS, penganalisis spektrum energi sinar-X Oxford Energy 350) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) digunakan untuk menentukan komposisi kimia Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit. UV-Vis DRS (Japan Hitachi UH4150) digunakan untuk menentukan absorbansi cahaya dari sampel. Komposisi fasa kristal dari sampel dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD, Germany Bruker AXSD8) menggunakan Cu K_α radiasi (γ = 1.54056 Å) dari 10° hingga 80°.

Pengukuran Fotoelektrokimia

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, sistem kopling yang terdiri dari fotolisis dan sel elektrolit digunakan untuk pengukuran fotoelektrokimia, dan membran penukar proton digunakan untuk menghubungkan kedua sel. Sel fotolisis mengandung 0,1 mol/L Na₂ S dan larutan campuran NaOH 0,2 mol/L, yang berperan sebagai agen korban untuk mempromosikan pemisahan elektron dan hole [33, 51], sedangkan larutan NaCl 0,5 mol/L digunakan sebagai elektrolit untuk sel elektrolitik. Dalam sel elektrolisis, sistem tiga elektroda diadopsi dengan Pt foil sebagai elektroda lawan (CE), elektroda kalomel jenuh sebagai elektroda referensi (RE) dan 304ss sebagai elektroda kerja (WE). Bi₂ Se₃ /TiO₂ sampel nanokomposit ditempatkan dalam sel fotolisis yang terhubung ke elektroda 304ss direndam dalam sel elektrolit dengan kawat tembaga. Sumber cahaya dalam rentang cahaya tampak disinari oleh lampu xenon bertekanan tinggi (PLS-SXE 300 C, Beijing Perfectlight Company, China). Perubahan potensial sirkuit terbuka (OCP) dan kurva arus foto diukur menggunakan sistem Potensiostat/galvanostat/ZRA Gamry (GAMRY 3000, Gamry Instruments, USA) sebelum dan selama penyinaran cahaya.

Sketsa skema pengaturan eksperimental yang digunakan untuk analisis fotoelektrokimia

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi TiO2 dan Bi2Se3/TiO2 Murni

Gambar 2a menunjukkan topografi tipikal dan topografi penampang untuk TiO₂ film yang dibuat dengan metode anodisasi. TiO₂ susunan nanotube menunjukkan struktur berpori yang terdiri dari nanotube yang tertata rapi dan berdensitas tinggi dengan diameter dalam rata-rata dan panjang masing-masing sekitar 55 nm dan 680 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b–d, TiO₂ permukaan nanotube berhasil dimodifikasi oleh Bi₂ Se₃ melalui metode deposisi rendaman kimia untuk konsentrasi Bi³⁺ . yang berbeda . Untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, Bi₂ Se₃ nanoflake terdistribusi secara sporadis dan teragregasi secara tidak merata di seluruh TiO₂ nanotube (Gbr. 2b). Saat konsentrasi Bi³⁺ adalah 0,5 mmol/L, Bi₂ Se₃ hampir seluruhnya terdiri dari pola seperti bunga dari nanoflake ultra tipis yang lentur dengan diameter sekitar 800 nm, tanpa menghalangi nozzle TiO₂ nanotube atau merusaknya (Gbr. 2c). Bi₂ Se₃ nanoflower yang diamati tersebar merata pada permukaan TiO₂ menunjukkan struktur cross-linked internal untuk nanoflake ultra tipis, yang secara efektif mencegah agregasi lamella dan mempertahankan masa pakai arsitektur yang lama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Setelah konsentrasi Bi³⁺ ditingkatkan menjadi 1,0 mmol/L, jumlah dan diameter Bi₂ Se₃ nanoflowers meningkat secara signifikan, dan aglomerasi nanoflowers memblokir nanotube, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Spektrum EDS yang sesuai dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 film yang ditunjukkan pada Gambar. 2e mengungkapkan bahwa puncak karakteristik untuk Ti, O, Bi dan Se ditandai dengan persentase atom Bi dan Se masing-masing 0,9% dan 1,3%. Telah diketahui dengan baik bahwa kesalahan pengukuran uji EDS meningkat dengan menurunnya kandungan elemen uji. Jadi, dapat diterima bahwa rasio atom Bi dan Se mendekati 2:3.

Gambar SEM untuk a TiO murni₂ , b Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, c Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 dan d Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0; e Spektrum EDS untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 film

Gambar 3a menunjukkan spektrum XRD untuk TiO murni₂ (kurva a) dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 nanokomposit (kurva b). Selain puncak substrat Ti, puncak difraksi pada 25,38°, 38,03°, 48,01°, 54,05°, 55,17°, 62,71° dan 70,44° sangat cocok dengan bidang kisi (101), (004), (200), (105), (211), (204) dan (220) dari anatase TiO₂ , masing-masing (JCPDS 21-1272). Kecuali untuk TiO₂ puncak, puncak difraksi khas pada 29,35 ° dan 74,90 ° diindeks ke bidang kisi (015) dan (0216) kristal rombohedral Bi₂ Se₃ (JCPDS 33-0214). Namun, tidak ada puncak yang jelas dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 karena konten rendah Bi₂ Se₃ disimpan di TiO₂ dan spektrum XRD sesuai dengan hasil SEM dan EDS. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) digunakan untuk menentukan lebih lanjut komposisi kimia dan keadaan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, XPS mengungkapkan keberadaan komponen Bi, Se, Ti dan O selain kontaminan C karena kontaminasi hidrokarbon adventif. Gambar 3c menunjukkan posisi puncak untuk Ti 2p pada 458,7 dan 464,5 eV, yang menunjukkan bahwa titanium oksida sebagian besar terdiri dari TiO₂ [52]. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3d, semafor O 1s dicocokkan dengan dua puncak Gaussian:maksimum pada energi ikat yang lebih rendah (530,0 eV) dikaitkan dengan oksigen kisi (O_L ) di Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dan yang kedua pada energi ikat yang lebih tinggi (531,5 eV) berasal dari oksigen yang teradsorpsi (O_A ), termasuk ikatan lemah oksigen atau gugus hidroksil. Keberadaan O_A disebabkan oleh pembentukan kekosongan oksigen pada permukaan nanokomposit, yang mungkin meningkatkan sifat konversi fotolistrik Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dalam perlindungan fotokatodik [53]. Gambar 3e menunjukkan bahwa 4f_7/2 puncak asimetris untuk Bi diselesaikan menjadi dua puncak (157,5 dan 159,4 eV), dengan Bi 4f_5/2 spektrum yang sama dibagi menjadi dua pita pada 162,8 dan 164,7 eV, masing-masing. Posisi puncak yang lebih rendah (157,5 eV dan 162,8 eV) sesuai dengan posisi di Bi₂ Se₃ , dengan puncak yang lebih tinggi sesuai dengan bismut oksida pada 159,4 eV dan 164,7 eV [54, 55]. Dapat disimpulkan bahwa beberapa logam bismut teroksidasi selama proses sintetik dengan Bi₂ Se₃ memodifikasi TiO murni₂ . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3f, dua puncak ditetapkan ke 3d_3/2 dan 3d_5/2 tingkat inti Se pada 55,1 dan 54,2 eV, masing-masing, menunjukkan bahwa Se ada dalam bentuk Se^2- [56].

a Pola XRD untuk TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 nanokomposit; b spektrum survei total, c Ti 2p, d O 1s, e Bi 4f dan f Se spektrum XPS 3d untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 nanokomposit

Gambar 4 menunjukkan kemampuan penyerapan cahaya TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 nanokomposit. Tepi penyerapan karakteristik untuk TiO murni₂ sekitar 380 nm dalam wilayah UV karena energi celah pita dari anatase TiO₂ (3.2 eV) (kurva a). Adsorpsi yang diucapkan diamati untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit di wilayah cahaya tampak (350–800 nm) (kurva b), dengan kemampuan penyerapan cahaya tampak lebih tinggi daripada TiO murni₂ karena penggabungan Bi₂ Se₃ bunga nano. Fenomena ini dapat dianggap berasal dari fakta bahwa Bi₂ Se₃ tereksitasi di bawah cahaya tampak karena celah pitanya yang sempit (0,35 eV), dengan elektron dan lubang yang dihasilkan di pita konduksi (CB) dan pita valensi (VB). Oleh karena itu, penambahan Bi₂ Se₃ secara efektif meningkatkan kemampuan penyerapan cahaya tampak Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit.

Spektrum serapan UV-tampak untuk TiO₂ (a) dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (b)

Kinerja Proteksi Fotokatoda TiO2 dan Bi2Se3/TiO2 Murni

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, kurva OCP untuk 304ss digabungkan dengan TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ fotoanoda nanokomposit diukur di bawah cahaya tampak intermiten, dengan respons OCP terhadap iluminasi yang diminta dan bergeser ke potensial negatif untuk semua elektroda yang digabungkan. Pada fase awal menyala, OCP untuk semua elektroda yang digabungkan menunjukkan pergeseran negatif dalam waktu singkat, yang disebabkan oleh transfer fotoelektron tereksitasi dari TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit ke elektroda 304ss [1, 57]. Selanjutnya, nilai OCP yang relatif stabil dapat dikaitkan dengan tingkat keseimbangan antara penciptaan dan rekombinasi elektron fotogenerasi [32]. Setelah penyinaran dimatikan, nilai OCP untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit kembali ke nilai aslinya pada kecepatan yang lebih lambat dibandingkan dengan TiO murni₂ . Fenomena ini mungkin dikaitkan dengan efek kumpulan elektron Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit, yang dapat menyimpan elektron yang diinduksi foto di bawah iradiasi cahaya dan secara perlahan melepaskan elektron ini tanpa iradiasi cahaya. Di bawah penyinaran cahaya tampak, nilai OCP untuk 304ss kira-kira 450 mV bila digabungkan dengan TiO₂ (kurva a), dan nilai OCP untuk 304ss digabungkan dengan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (kurva b), Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 (kurva d) dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (kurva c) masing-masing mencapai 905 mV, 996 mV, dan 958 mV. Hasil ini menunjukkan bahwa 304ss terpolarisasi secara katodik setelah digabungkan dengan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dan bahwa perlindungan katodik yang baik untuk 304ss mungkin disediakan oleh Bi₂ Se₃ /TiO₂ fotoanoda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 d, 304ss digabungkan ke Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 memiliki potensi negatif paling besar menunjukkan bahwa kinerja proteksi fotokatodik terbaik untuk 304ss. Hasil ini mungkin karena situs aktif dan pemanenan cahaya meningkat dengan meningkatnya Bi₂ Se₃ isi. Namun, jumlah Bi₂ . yang berlebihan Se₃ partikel berfungsi sebagai situs rekombinasi untuk elektron dan lubang, yang menghambat transfer muatan dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit menjadi 304ss.

OCP untuk 304ss digabungkan dengan TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dalam larutan NaCl 0,5 mol

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, rapat arus foto vs. kurva waktu untuk TiO₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit menunjukkan respons foto yang cepat dan dapat direproduksi di bawah pencahayaan cahaya tampak yang terputus-putus, yang mencerminkan kinerja konversi fotolistrik bahan. Arus fotogenerasi relatif kecil di bawah cahaya tampak karena penyerapan cahaya tampak yang lemah (kurva a). Namun, arus fotogenerasi meningkat luar biasa di bawah penerangan cahaya tampak setelah sensitisasi TiO₂ oleh Bi₂ Se₃ nanoflower (kurva b ke d). Data tersebut menyiratkan bahwa Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit mampu memanfaatkan cahaya tampak dan bahwa heterojunction antara TiO₂ dan Bi₂ Se₃ mempromosikan pemisahan elektron fotogenerasi dan lubang [58]. Selanjutnya, fotoelektron yang dihasilkan pada pita konduksi Bi₂ Se₃ nanoflower dapat dengan mudah ditransfer ke pita konduksi yang lebih positif dari TiO₂ nanotube di bawah penerangan cahaya tampak. Setelah tiga interval iradiasi, arus foto mempertahankan nilai yang relatif stabil dan tidak ada degradasi arus foto yang terdeteksi, yang menggambarkan stabilitas fotokimia Bi₂ yang baik. Se₃ /TiO₂ film nanokomposit. Untuk konsentrasi yang berbeda dari Bi³⁺ , Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit menunjukkan intensitas yang berbeda untuk respon arus foto. Secara khusus, kerapatan arus foto transien untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 (415 μA/cm² ) lebih tinggi daripada untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (85 μA/cm² ) dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (160 μA/cm² ), menunjukkan bahwa Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 memiliki efisiensi pemisahan yang ideal untuk pasangan lubang elektron yang difotogenerasi. Situs aktif dan pemanenan cahaya berkurang karena kekurangan Bi₂ Se₃ nanoflowers di Bi₂ Se₃ /TiO₂ film nanokomposit, sementara situs rekombinasi untuk elektron dan lubang meningkat dengan adanya Bi₂ dalam jumlah yang berlebihan Se₃ bunga nano. Di bawah penerangan cahaya tampak, kerapatan arus induksi foto terbesar dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 fotoanoda konsisten dengan penurunan potensial terinduksi foto terbesar yang diilustrasikan pada Gambar. 5, yang selanjutnya memvalidasi kinerja perlindungan fotokatodik optimal Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 untuk 304 detik.

Kerapatan arus foto vs. kurva waktu untuk TiO murni₂ dan Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dalam 0,1 mol/L Na₂ S dan 0,2 mol/L larutan campuran NaOH

Gambar 7 menunjukkan konversi fotolistrik dan proses transportasi untuk Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit. Di bawah cahaya tampak, Bi₂ Se₃ nanoflowers dapat dengan mudah menyerap foton karena mengandung oksigen yang teradsorpsi (O_A ) dan memiliki lebar celah pita yang sempit (0,35 eV). Ketika foton diserap oleh Bi₂ Se₃ nanoflowers, elektron terfotoeksitasi akan dihasilkan oleh eksitasi dari pita valensi (VB) Bi₂ Se₃ ke pita konduksi (CB) Bi₂ Se₃ . Elektron terfotoeksitasi dalam CB Bi₂ Se₃ digeser ke CB TiO₂ , sedangkan lubang fotogenerasi di VB TiO₂ ditransfer ke VB Bi₂ Se₃ , dan kemudian ditangkap oleh S²⁻ dalam elektrolit berubah menjadi S pada permukaan film fotoanoda. Ketika elektron terfotoeksitasi keluar dari fotoanoda dan berpindah ke 304ss, mereka akan bereaksi dengan gas oksigen dan air untuk mengubah OH⁻ . Selanjutnya, Na⁺ diangkut dari sel elektrolisis ke sel fotolisis oleh membran penukar proton, sehingga sistem kopling secara keseluruhan netral. Akibatnya, muatan fotogenerasi secara efektif dipisahkan dan kemungkinan rekombinasi untuk pasangan lubang elektron fotogenerasi berkurang. Setelah 304ss menerima elektron terfotoeksitasi dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit melalui kawat, potensi 304ss bergeser negatif. Di bawah penerangan cahaya tampak, Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit dapat mengurangi laju korosi 304ss. Oleh karena itu, pemisahan yang efisien dari pasangan lubang elektron tereksitasi-foto di Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit akan mempercepat reaksi redoks dan menghasilkan perlindungan fotokatodik yang efektif untuk 304 detik.

Representasi skema dari proses transfer elektron di Bi₂ Se₃ /TiO₂

Kesimpulan

Dalam makalah ini, TiO₂ array nanotube disiapkan dengan metode anodisasi dan Bi₂ Se₃ bunga nano ditanam di TiO₂ nanotube dengan deposisi mandi kimia. Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit menunjukkan distribusi yang homogen dan karakteristik yang teratur. Uji elektrokimia untuk nanokomposit dan TiO murni₂ digabungkan dengan 304ss menunjukkan bahwa kinerja proteksi katodik yang dihasilkan dari Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit lebih unggul dibandingkan dengan TiO murni₂ . Nilai OCP untuk 304ss digabungkan dengan Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 menunjukkan pergeseran negatif ke 996 mV di bawah penerangan cahaya tampak karena situs aktif dan pemanenan cahaya TiO₂ peka oleh Bi₂ Se₃ . Dengan membandingkan hasil uji elektrokimia untuk tiga Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanokomposit, nanokomposit dibuat menggunakan 0,5 mmol/L Bi³⁺ dalam elektrolit menunjukkan kinerja yang optimal.