Etched p-Type Si Nanowires untuk Dekomposisi Ozon yang Efisien
Abstrak
Ozon konsentrasi tinggi dapat sangat merusak sistem pernapasan, kardiovaskular, dan kesuburan manusia, dan dekomposisi katalitik merupakan strategi penting untuk mengurangi bahayanya. Namun, tetap menjadi tantangan untuk mengembangkan katalis dekomposisi ozon yang efisien dengan efisiensi tinggi. Dalam penelitian ini, kawat nano silikon (Si NWs) tipe p dan n difabrikasi dengan metode etsa kimia basah dan pertama kali diterapkan pada ozon pengurai katalitik pada suhu kamar. Si NWs tipe-p menunjukkan 90% ozon (20 ppm O3 /air) efisiensi dekomposisi dengan stabilitas tinggi, yang jauh lebih baik daripada tipe-n Si NWs (50%) dengan orientasi kristal yang sama, diameter yang sama dan luas permukaan spesifik. Perbedaan sifat katalitik terutama disebabkan oleh lebih banyak lubang delokalisasi pada Si NWs tipe-p, yang dapat mempercepat desorpsi zat antara dekomposisi ozon (yaitu, spesies oksigen yang teradsorpsi).
Sorotan
Si NW berkualitas tinggi disiapkan dengan metode MACE yang cepat, mudah, dan hemat biaya.
Si NW pertama kali diterapkan untuk mengkatalisis dekomposisi ozon.
Si NWs tipe-P memiliki kinerja dekomposisi ozon yang lebih baik daripada Si NWs-tipe-n, dan mekanisme katalitik relatif dijelaskan.
Pengantar
Karena sifat oksidatif yang kuat, ozon dapat bereaksi dengan sebagian besar protein dan asam nukleat dan dengan demikian banyak digunakan dalam sterilisasi, pengolahan pulp, dan pengurai polutan [1]. Namun, sifat oksidatif yang kuat dari ozon menyebabkan banyak efek buruk pada tubuh manusia seperti merusak saluran pernapasan, kardiovaskular dan kesuburan [2,3,4,5]. Saat ini, ozon dalam ruangan yang biasanya dihasilkan oleh iradiasi ultraviolet masih menjadi salah satu polutan udara yang paling menonjol di seluruh dunia. Untuk mengurangi konsentrasi ozon dalam ruangan, berbagai katalis dekomposisi telah disintesis, termasuk bahan berbasis karbon aktif [6], bahan logam mulia [7,8,9], dan oksida logam transisi [10,11,12]. Namun, hubungan antara sifat katalis dan kinerja degradasi tidak ditemukan dengan baik, dan preparasi katalis yang sangat aktif masih menjadi tantangan.
Sebagai semikonduktor satu dimensi, kawat nano silikon (Si NWs) dengan luas spesifik yang tinggi, stabilitas fisik dan kimia yang sangat baik, banyak digunakan dalam sel surya, baterai lithium-ion, fotokatalis, dan sebagainya [13, 14]. Dalam karya ini, baik p- dan n-jenis Si NWs disiapkan dengan metode logam-dibantu-etsa kimia (MACE) yang cepat dan mudah [15], dan diterapkan pada dekomposisi katalitik ozon. Hasilnya menunjukkan bahwa Si NWs tipe-p menunjukkan efisiensi dekomposisi yang tinggi (> 90%) dengan stabilitas yang tinggi dalam uji 16 h terhadap ozon 20 ppm, yang jauh lebih baik daripada Si NWs tipe-n (~ 50% setelah 12 jam). H). Karya ini menunjukkan keunggulan Si tipe-p dalam dekomposisi ozon yang berperilaku sebagai perangkap elektron untuk memfasilitasi perantara O2
2−
desorpsi, dan juga aplikasi baru Si NWs tipe-p untuk katalis dekomposisi ozon yang sangat aktif.
Bahan dan Metode
Fabrikasi Si NWs
Wafer Si (100) tipe p dan n dengan resistivitas 1–10 Ω cm dipotong menjadi 2 × 2 cm
2
kotak, dicuci dengan air deionisasi (DI), etanol, dan aseton di bawah sonikasi secara bergantian selama 15 menit. Kemudian wafer Si yang telah dibersihkan direndam dalam larutan campuran yang mengandung H2 JADI4 (97%) dan H2 O2 (35%) dalam rasio volume 3:1 selama setengah jam untuk menghilangkan kotoran organik. Setelah itu, wafer Si direndam ke dalam larutan HF 5% selama 3 menit untuk membentuk ikatan Si-H. Kemudian wafer segera dimasukkan ke dalam larutan 0,005 M AgNO3 dan 4,8 M HF selama 1 menit untuk melapisi nanopartikel Ag yang bertindak sebagai katalis etsa. Untuk menjamin kualitas Si NWs, wafer dicuci dengan air DI untuk menghilangkan Ag
+
yang berlebihan. dan kemudian dipindahkan ke dalam larutan yang mengandung 4,8 M HF dan 0,4 M H2 O2 dalam gelap dan suhu kamar selama 1 jam untuk mendapatkan panjang NW yang cukup.
Morfologi sampel dengan berbagai tipe Si NWs dicirikan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, JEOL JSM-7800F, Tokyo, Jepang). Selanjutnya, struktur mikro kristal p (100) dan n (100) Si NWs dipelajari dengan mikroskop elektron transmisi (TEM, Philips Technai 12 di bawah tegangan operasi 80 kV, Amsterdam, Belanda) dan TEM resolusi tinggi (HRTEM, Philips CM200 di bawah 200 tegangan operasi kV, Amsterdam, Belanda). Untuk pengujian kinerja katalitik ozon, Si NWs dikikis dari wafer utuh dengan pisau silet, dan 50 mg Si NWs dicampur dengan pasir kuarsa 450 mg. Campuran tersebut kemudian ditempatkan dalam reaktor tabung berbentuk U, yang dimasukkan dengan ozon 20 ppm yang dihasilkan oleh generator COM-AD-01-OEM (Anshan, Cina). Tanpa kelembaban, kecepatan ruang total (SV) adalah 240.000 mL g
−1
h
−1
dengan aliran gas 200 mL min
−1
, dan konsentrasinya terdeteksi oleh monitor 106 M (teknologi 2B, AS).
Hasil dan Diskusi
Untuk memahami sepenuhnya morfologi permukaan Si NWs, SEM diterapkan untuk mengkarakterisasi sampel yang diperoleh (Gbr. 1). Gambar SEM top-view dari susunan p (100) Si NWs ditunjukkan pada Gambar. 1a, yang menunjukkan bahwa Si NWs terdistribusi secara merata pada permukaan wafer Si. Gambar 1c menunjukkan penampang yang ditarik dari susunan p (100) Si NWs, menunjukkan bahwa Si NWs pada permukaan substrat Si adalah seragam. Perlu dicatat bahwa n (100) NWs (sekitar 24,6 μm) sedikit lebih panjang dari p (100) NWs (sekitar 19,0 μm), yang dihasilkan oleh tingkat etsa yang relatif lebih cepat. Dalam proses etsa oksidasi, wafer silikon pertama dioksidasi menjadi silikon oksida dan kemudian zat teroksidasi kehilangan beberapa elektron setelah tergores oleh HF. Wafer silikon tipe-N memiliki lebih banyak elektron daripada wafer silikon tipe-p. Oleh karena itu, laju oksidasi wafer silikon n lebih besar daripada wafer silikon tipe-p, yang akan membuat laju reaksi etsa lebih cepat untuk tipe-n dan dengan demikian kawat nano silikon tipe-n lebih panjang daripada silikon tipe-p kawat nano dalam waktu etsa yang sama. Gambar SEM tampak atas dan penampang melintang dari n (100) susunan Si NWs ditunjukkan pada Gambar 1b dan d. Tampak atas n (100) Si NWs mirip dengan p (100) Si NWs. Kedua jenis NW sangat seragam dan padat, dengan kepadatan yang sama ~ 10
10
cm
−2
.
Gambar SEM dari katalis:a dan c tampilan atas dan tampilan penampang Si NWs tipe-p; b dan d tampilan atas dan tampilan penampang Si NWs tipe-n
Untuk pemahaman lebih lanjut tentang morfologi spesifik Si NW tunggal, gambar TEM NW tunggal untuk p (100) dan n (100) ditunjukkan pada Gambar. 2. Jelas, baik tipe-p dan Si NW tipe-n memiliki relatif halus. permukaan, dengan diameter 187,9 nm dan 184,6 nm, masing-masing. Untuk mendapatkan distribusi diameter Si NWs, hasil statistik berdasarkan diameter 50 Si NWs masing-masing ditunjukkan pada ilustrasi Gambar 2a dan b. Histogram menunjukkan bahwa diameter p dan n (100) NW terutama berada di kisaran 125~175 nm, yang memastikan area permukaan spesifik yang serupa (12,68 m
2
/g dan 13,66 m
2
/g), dan selanjutnya memastikan perbandingan kinerja katalitik yang konsisten dalam penelitian ini. Gambar HRTEM yang sesuai (Gbr. 2b dan d) menunjukkan jarak antarplanar dari Si NWs tipe-p dan n masing-masing adalah 0,539 nm dan 0,541 nm, sangat dekat dengan nilai teoritis 0,542 nm ((100) bidang kisi). Terungkap bahwa Si NWs tipe p dan n memanjang sepanjang arah <100>, yang konsisten dengan substrat Si yang tergores. Gambar HRTEM juga menunjukkan bahwa tidak ada lubang dan cacat yang jelas pada Si NWs.
Gambar katalis TEM dan HRTEM:a dan c tipe-p Si NWs b dan d Ilustrasi Si NWs tipe-n adalah distribusi normal diameter yang bersesuaian dengan p (100) NWs dan n (100) NWs, masing-masing
Hasil aktivitas katalitik Si NWs ditunjukkan pada Gambar. 3, yang diuji dengan mendekomposisi ozon 20 ppm dalam pembawa udara pada suhu kamar. Dibandingkan dengan Si NWs tipe-n, Si NWs tipe-p menunjukkan kinerja dekomposisi ozon katalitik yang lebih baik dengan efisiensi awal yang tinggi ~ 99%, dan kemudian efisiensi sedikit menurun seiring waktu dan tetap>
90% setelah 16 h. Adapun aktivitas katalitik n (100) Si NWs, efisiensi awalnya adalah sekitar 96%; namun, efisiensi menurun secara relatif cepat, dan hanya tersisa ~ 50% setelah pengujian 12 h. Kinerja katalitik yang luar biasa dari p (100) Si NWs terdiri dari keteraturan bahwa semikonduktor dengan perilaku tipe-p yang kuat menghadirkan kinerja tinggi untuk dekomposisi ozon [16]. Khususnya, Si NW tipe-p dan n disiapkan di bawah kondisi yang persis sama. Juga kedua jenis Si NWs memiliki arah pertumbuhan yang sama, luas permukaan spesifik dan distribusi diameter yang sama. Semua ini menunjukkan bahwa perbedaan antara dua jenis Si NW hanya berasal dari jenis semikonduktornya.
a Konversi ozon menggunakan Si NWs tipe p dan n sebagai katalis; b Deteksi EPR dari Si NWs tipe p dan n; dan c Perbandingan skematik Si NWs tipe p dan n. Si tipe-P kekurangan elektron dan memiliki lubang bermuatan positif, dan dengan demikian, pelepasan elektron dan desorpsi O2
2−
lebih mudah daripada kasus Si tipe-n
Menurut mekanisme yang diusulkan oleh Oyama et al. [12] proses dekomposisi katalitik ozon dapat dibagi menjadi langkah-langkah berikut:
Di sini, simbol * mewakili situs aktif, dan laju pelepasan oksigen aktif dalam (3) dari katalis menentukan laju keseluruhan dekomposisi ozon. Dalam pekerjaan kami sebelumnya, produk antara telah dikonfirmasi ke spesies peroksida (O2
2−
) ditentukan oleh spektroskopi Raman [10]. Alasan utama untuk efisiensi katalitik yang tinggi dan stabilitas yang sangat baik dari Si NWs tipe-p adalah bahwa mereka memiliki lubang bermuatan positif yang lebih terdelokalisasi, yang bermanfaat untuk menarik elektron dari O2 yang teradsorpsi.
2−
anion. Kemudian, spesies oksigen antara mudah terdesorbsi dari katalis, mengekspos situs aktif lagi untuk dekomposisi ozon terus menerus [17]. Hal ini selanjutnya dibuktikan dengan pengukuran resonansi spin elektron (EPR) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Sinyal yang lebih tajam pada g = 2.0052 terdeteksi pada Si NWs tipe-n daripada sinyal tipe-p, menunjukkan bahwa Si NWs tipe-n memiliki ikatan tersuspensi yang lebih banyak [18], yang membuatnya memiliki interaksi adsorpsi yang lebih kuat dengan molekul oksigen. . Akibatnya, molekul oksigen yang teradsorpsi tidak terdesorbsi dengan cepat, yang menempati situs aktif sehingga tipe-n Si NWs lebih rentan untuk dinonaktifkan, seperti yang ditunjukkan secara skema pada Gambar 3c.
Kesimpulan
Singkatnya, Si NWs tipe-p yang disiapkan dengan metode MACE menunjukkan efisiensi konversi ozon yang tinggi>-90% setelah uji 16 h pada suhu kamar. Kinerja katalitik yang luar biasa terutama dapat dikaitkan dengan massa lubang yang terdelokalisasi, yang bermanfaat bagi pelepasan elektron perantara degradasi ozon (O2
2−
) dan dengan demikian mendukung desorpsi selama dekomposisi ozon. Semua ini menunjukkan potensi besar Si NWs tipe-p untuk dekomposisi yang dikatalisis ozon, terutama setelah optimasi lebih lanjut di masa depan.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan naskah ini disertakan dalam naskah.
