Pemecahan Air Fotokatalitik yang Ditingkatkan dengan Nanopartikel Plasmonik Au pada Fotoelektroda Nanotipa TiO₂/MoO₃

Latar Belakang

Permintaan energi global terus meningkat, mendorong penelitian ke dalam sumber energi bersih dan terbarukan seperti surya, geothermal, pasang surut, dan biomass. Pemecahan air fotokatalitik menonjol sebagai jalur langsung untuk mengonversi sinar matahari menjadi bahan bakar kimia. Strategi untuk meningkatkan efisiensi termasuk memperluas permukaan reaksi, menyetor katalitik logam, dan menggabungkan semiconductor. Array nanotipa TiO₂, yang dihargai karena luas permukaan yang tinggi dan transportasi muatan arah, nonetheless terbatas oleh serapan hanya UV dan rekombinasi muatan yang cepat. Peneliti telah mengeksplorasi metode untuk menggeser serapan TiO₂ ke dalam spektrum terlihat—doping nitrogen, modifikasi permukaan logam mulia, dan pemasangan dengan semiconductor bandgap sempit. MoO₃, oksida tipe p dengan bandgap 2,8 eV dan konduktivitas lubang yang baik, dapat membentuk heterojungsi dengan TiO₂ yang mempromosikan serapan cahaya terlihat dan pemisahan muatan. Fotokatalisis plasmonik lebih memperkuat efisiensi dengan menghasilkan medan listrik lokal yang intens ketika cahaya insiden bersenar dengan partikel nanopelat logam. Dalam pekerjaan ini, kami menyintesis nanotipa TiO₂ yang dilapisi MoS₂, mengoksidasi menjadi MoO₃, dan kemudian memperkenalkan partikel nanopelat Au untuk mengeksploitasi SPR, bertujuan untuk meningkatkan aktivitas pemecahan air di bawah iluminasi terlihat.

Metode

Pembuatan Nanotipa TiO₂

Nanotipa TiO₂ (TNTs) dihasilkan melalui anodisasi dua tahap. Foil titanium (dipotong ke ukuran) di-sonikasi secara berturut-turut dalam aseton, etanol, dan air deion selama 5 menit. Anodisasi menggunakan setup dua elektroda konvensional (anoda Ti, katoda karbon) dengan 0,3 wt % NH₄F dalam etilena glikol (5 vol % H₂O) pada suhu kamar. Anodisasi pertama berlangsung 30 menit pada 60 V; tube yang dihasilkan dikeluarkan dalam 1 M HCl dengan pengadukan ultrasonik. Anodisasi kedua dalam kondisi yang sama menghasilkan array nanotipa seragam, yang kemudian dicuci dengan etanol dan air deion dan dipanaskan pada 450 °C (2 °C/min) selama 4 jam untuk membentuk anatase TNTs.

Sintesis Struktur Inti-Kulit TNTs@MoO₃

Nanolembar MoS₂ pertama kali ditumbuhi hidrotermal: 0,12 g Na₂MoO₄·2H₂O dan 0,24 g tiasetamida dilarutkan dalam 80 mL air deion dan diaduk selama 15 menit. TNTs kemudian ditempatkan dalam autoklaf Teflon 100 mL dengan larutan, dipanaskan pada 200 °C (3 °C/min) selama 24 jam, dan didinginkan. TNTs@MoS₂ yang dihasilkan dicuci dan dipanaskan dalam udara pada 450 °C (2 °C/min, 4 jam) untuk mengoksidasi MoS₂ menjadi MoO₃, menghasilkan struktur inti-kulit TNTs@MoO₃.

Penyetoran Partikel Nanopelat Au

Elektroda Au/TNTs@MoO₃ dibuat dengan pertama kali melakukan perlakuan hidrotermal pada TNTs@MoO₃ untuk mempromosikan adhesi permukaan, diikuti oleh sputtering partikel nanopelat Au untuk mencapai distribusi seragam seperti pulau.

Analisis Karakteristik dan Pengukuran Arus Foto

Mikrostruktur dan komposisi elemen diperiksa oleh FE-SEM dan EDS. XPS mengukur status ikatan Ti, O, Mo, dan S. Performa fotokatalitik dievaluasi dalam 1 M NaOH menggunakan setup tiga elektroda di bawah iradiasi laser 532-nm (spot 1-mm) pada suhu kamar.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menampilkan gambar SEM dan peta EDS dari bahan yang disintesis. TNTs (Gambar 1a) menunjukkan pori seragam (100–120 nm). Tube yang dilapisi MoS₂ (Gambar 1b) mempertahankan porositas ini, memastikan banyak situs aktif. Setelah pemanasan, struktur inti-kulit TNTs@MoO₃ (Gambar 1c) menunjukkan cangkang halus tanpa pemblokiran pori. Au/TNTs@MoO₃ (Gambar 1d) mengungkapkan pulau Au yang terdistribusi seragam, mengonfirmasi permukaan aktif SPR yang diinginkan.

Gambar SEM a TNTs, b TNTs@MoS₂, c TNTs@MoO₃, dan d Au/TNTs@MoO₃ (kiri), dengan pemetaan EDS (kanan)

Spektrum XPS (Gambar 2) mengonfirmasi status kimia. Puncak pada 464,6 eV (Ti2p₁), 458,9 eV (Ti2p₃), dan 530,4 eV (O1s) adalah khas dari TiO₂. MoS₂ menunjukkan puncak Mo3d₃/₅ pada 231,6/228,9 eV dan sinyal S2s di sekitar 226 eV. Setelah pemanasan, puncak Mo3d bergeser menjadi 235,6/232,6 eV, yang mengindikasifikasi oksidasi ke Mo⁶⁺ dalam MoO₃. Hasil ini memvalidasi konversi yang berhasil dari MoS₂ ke MoO₃.

Analisis XPS a Ti2p, b O1s, c Mo3d dari MoS₂, dan d Mo3d dari MoO₃

Pengukuran arus foto (Gambar 3) menunjukkan bahwa TNTs@MoO₃ mengungguli TNTs polos karena pemisahan muatan yang ditingkatkan pada heterojungsi. Penyisipan partikel nanopelat Au lebih meningkatkan arus foto sekitar 1,5× pada bias –1 V, diatribusikan pada perpanjangan medan lokal yang diinduksi SPR. Bahkan tanpa bias (0 V), Au/TNTs@MoO₃ mempertahankan arus foto superior, mengonfirmasi manfaat katalitik intrinsik Au. Uji stabilitas di bawah iradiasi laser 532-nm berkelanjutan (Gambar 3d) menunjukkan bahwa Au/TNTs@MoO₃ mempertahankan 57% arus awalnya setelah 1,5 jam pada 0,8 V. Spektroskopi impedansi elektrokimia (plot Nyquist, Gambar 3e) mengungkapkan semicircle yang lebih kecil untuk Au/TNTs@MoO₃, yang mengindikasikan resistensi transfer muatan yang lebih rendah dan mobilitas pembawa muatan yang lebih cepat.

Kurva sweep linier fotoelektroda a tanpa dan b dengan iradiasi cahaya, dan respons arus foto pada c 0 V (laser 532-nm). d Pengukuran arus foto yang lama di bawah iradiasi laser 532-nm. e Plot Nyquist berbagai fotoelektroda

Kesimpulan

Informasi pendukung

Informasi pendukung (File Tambahan 1) mencakup spektrum Raman lapisan MoS₂, distribusi ukuran pori yang dihasilkan SEM, dan diskusi detail tentang mekanisme peningkatan.

Pekerjaan ini menunjukkan bahwa pelapisan MoO₃ pada nanotipa TiO₂ secara efektif memperluas serapan foton ke dalam rentang terlihat. Penambahan partikel nanopelat plasmonik Au menghasilkan peningkatan yang besar dalam arus foto untuk pemecahan air di bawah cahaya terlihat. Heterojungsi TiO₂/MoO₃ yang dirancang mempromosikan transfer muatan yang efisien dan menekan rekombinasi, menekankan pentingnya rekayasa bandgap dan integrasi plasmonik dalam fotokatalis generasi depan.