CdS Nanoparticle-Modified -Fe2O3/TiO2 Nanorod Array Photoanode untuk Oksidasi Air Fotoelektrokimia yang Efisien

Abstrak

Dalam karya ini, kami mendemonstrasikan proses adsorpsi dan reaksi lapisan ionik berturut-turut yang lancar disertai dengan metode hidrotermal untuk mensintesis -Fe termodifikasi nanopartikel CdS₂ O₃ /TiO₂ nanorod array untuk oksidasi air fotoelektrokimia (PEC) yang efisien. Dengan mengintegrasikan CdS/α-Fe₂ O₃ /TiO₂ sistem terner, kemampuan penyerapan cahaya fotoanoda dapat ditingkatkan secara efektif dengan respons optik yang jelas diperluas ke wilayah cahaya tampak, sangat memudahkan pemisahan pembawa fotogenerasi, sehingga meningkatkan kinerja oksidasi air PEC. Yang penting, untuk heterostruktur tipe-II abnormal yang dirancang antara Fe₂ O₃ /TiO₂ , posisi pita konduksi Fe₂ O₃ lebih tinggi dari TiO₂ , elektron fotogenerasi dari Fe₂ O₃ akan cepat bergabung kembali dengan lubang fotogenerasi dari TiO₂ , sehingga menyebabkan pemisahan elektron yang difotogenerasi secara efisien dari Fe₂ O₃ /lubang dari TiO₂ di Fe₂ O₃ /TiO₂ antarmuka, sangat meningkatkan efisiensi pemisahan lubang fotogenerasi dalam Fe₂ O₃ dan meningkatkan efisiensi injeksi elektron fotogenerasi di TiO₂ . Bekerja sebagai fotoanoda oksidasi air PEC, CdS/α-Fe₂ O₃ /TiO₂ elektroda heterostuktur menunjukkan peningkatan kerapatan arus foto sebesar 0,62 mA cm^− 2 pada 1,23 V vs. elektroda hidrogen reversibel (RHE) dalam elektrolit basa, dengan potensi awal yang jelas-jelas bergeser secara negatif sebesar 80 mV. Pekerjaan ini memberikan metode yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja oksidasi air PEC dari TiO₂ fotoanoda heterostruktur berbasis.

Latar Belakang

Untuk mengatasi masalah polusi yang parah dan sumber daya fosil yang terbatas, pemisahan air fotoelektrokimia (PEC) untuk menghasilkan hidrogen telah dianggap sebagai salah satu strategi yang paling menjanjikan untuk konversi energi matahari. Sejak laporan pertama tentang oksidasi air PEC berdasarkan TiO₂ [1], TiO₂ telah menarik banyak perhatian sebagai bahan fotoanoda untuk oksidasi air PEC, karena sifat PEC yang stabil, respons optik yang kuat, dan posisi pita energi yang sesuai [2, 3]. Namun, kinerja PEC TiO murni₂ photoanode sangat dibatasi oleh kinetika oksidasi air yang lambat yang berasal dari kemampuan pemisahan pembawa fotogenerasi yang buruk dan kemampuan penyerapan cahaya yang tidak mencukupi [4, 5].

Oleh karena itu, berbagai strategi telah diambil untuk meningkatkan kinerja oksidasi air PEC dari TiO murni_2, seperti modifikasi permukaan [6], sensitisasi titik kuantum, dan konstruksi heterojungsi [7, 8]. Salah satu metode yang efisien untuk meningkatkan kinerja pemisahan pembawa fotogenerasi adalah dengan membangun fotoanoda heterostruktur. Misalnya, membangun heterojunction antara TiO₂ dan semikonduktor oksida logam lainnya dengan struktur pita energi yang cocok (seperti Co₃ O₄ /TiO₂ [9] dan ZnIn₂ S₄ /TiO₂ [10, 11]) dapat secara efektif memfasilitasi pemisahan elektron dan lubang fotogenerasi; oleh karena itu, kinerja pemisahan air PEC dari TiO murni₂ jelas dapat ditingkatkan. Di antara berbagai semikonduktor oksida logam, hematit (α-Fe₂ O₃ ) dianggap sebagai bahan fotoanoda yang menjanjikan karena celah pita yang sesuai (~ 2.0 eV) untuk pemanenan sinar matahari, stabilitas yang sangat baik, dan biaya rendah [12]. Selain itu, efisiensi konversi daya teoritis (PCE) dari -Fe₂ O₃ dapat mencapai 15,3%, dengan rapat arus foto 12,6 mA cm^− 2 pada 1,23 V vs. elektroda hidrogen reversibel (RHE) di bawah penyinaran matahari standar [13]. Oleh karena itu, membangun -Fe₂ O₃ /TiO₂ fotoanoda heterostruktur tidak hanya dapat meningkatkan kinerja pemisahan pembawa di TiO₂ tetapi juga secara efektif memperluas jangkauan penyerapan cahaya TiO₂ . Sedangkan menurut beberapa penelitian terbaru, -Fe₂ O₃ photoanodes mengalami masa pakai pasangan elektron-lubang yang pendek dan panjang difusi lubang (2–4 nm), yang menghasilkan tingkat rekombinasi yang tinggi dari pembawa fotogenerasi, menghambat peningkatan kinerja PEC [12]. Dalam hal ini, untuk lebih meningkatkan kinerja pemisahan air PEC dari Fe₂ O₃ /TiO₂ photoanodes, beberapa semikonduktor celah pita sempit, seperti CdS [14, 15] dan PbS [16], dapat digabungkan untuk memfasilitasi pemisahan pembawa fotogenerasi. Diantaranya, CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ fotoanoda heterostruktur dianggap sebagai pilihan yang menjanjikan dengan celah pita yang cocok dan rentang penyerapan cahaya yang diperluas. Selain itu, proses transpor pembawa dapat ditingkatkan secara efektif karena pembawa fotogenerasi dapat dengan cepat dipisahkan pada antarmuka CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ , sehingga sangat mengurangi tingkat rekombinasi operator.

Terlebih lagi, untuk membangun elektroda canggih untuk sistem pemisahan air PEC, bahan elektroda harus memiliki karakteristik seperti kemampuan menangkap cahaya insiden yang cukup dan terowongan untuk transportasi muatan. Dibandingkan dengan fotoanoda planar umum, fotoanoda array satu dimensi (1D) nanorod (NR) menunjukkan kinerja pemanenan cahaya insiden yang baik karena proses multi-hamburan yang ditingkatkan [17], yang akan mengarah pada peningkatan kinerja oksidasi air PEC. Selain itu, dilaporkan bahwa 1D NR array juga menunjukkan kinerja transport pembawa yang sangat baik karena pembawa fotogenerasi dapat langsung mengangkut sepanjang NR, sehingga rekombinasi pembawa langsung pada batas kristal dapat dihindari secara efektif [18]. Juga, untuk lebih memperbesar luas permukaan susunan 1D NR tersebut, yang dapat membawa lebih banyak situs reaksi PEC dan meningkatkan kinerja PEC, diharapkan 1D NR dengan struktur nano bercabang [19]. Arsitektur terintegrasi tersebut menawarkan jalur optik yang panjang untuk pemanenan cahaya yang efektif, jarak difusi yang pendek untuk pengangkutan muatan yang sangat baik, dan area permukaan yang besar untuk pengumpulan muatan antarmuka yang cepat, yang sangat bermanfaat untuk peningkatan kinerja PEC. Oleh karena itu, sangat menarik untuk merancang Fe yang dimodifikasi CdS₂ O₃ /TiO₂ array NR heterostruktur untuk oksidasi air PEC.

Di sini, kami melaporkan metode adsorpsi dan reaksi lapisan ionik berurutan (SILAR)-hidrotermal yang lancar untuk mensintesis Fe yang dimodifikasi CdS₂ O₃ /TiO₂ Susunan NR untuk oksidasi air PEC yang efisien. Studi UV-vis mengkonfirmasi CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Array NR menampilkan kinerja respons optik yang sangat baik dengan rentang penyerapan cahaya yang diperluas. Peningkatan proses transfer muatan dan penurunan tingkat rekombinasi muatan dapat dibuktikan melalui spektrum PL dan plot EIS. Diterapkan sebagai fotoanoda untuk oksidasi air PEC, CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Array NR menunjukkan kepadatan arus foto yang sangat ditingkatkan sebesar 0,62 mA cm^− 2 (1,23 V vs. RHE) dalam elektrolit basa dibandingkan dengan TiO murni₂ (0,32 mA cm^− 2 pada 1,23 V vs. RHE). Dipercaya bahwa rute sintesis dan aplikasi CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Array NR yang dilaporkan saat ini sangat penting dan dapat diterapkan pada perangkat fotovoltaik dan fotoelektronik lainnya.

Metode

Persiapan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Fotoanoda Heterostruktur NR

Sintesis TiO₂ NR Array

Untuk mensintesis TiO₂ Susunan NR pada kaca FTO, FTO dipotong menjadi persegi panjang dan dibersihkan secara ultrasonik dengan air deionisasi, aseton, dan etanol, berturut-turut. Kemudian, FTO dimasukkan ke dalam autoklaf yang berisi larutan campuran air deionisasi (20 ml), asam klorida (20 ml), dan titanium isopropoksida (1,1 ml) dan dipanggang pada suhu 160 °C selama 6 jam. Setelah reaksi, FTO dicuci dengan air deionisasi dan etanol beberapa kali dan kemudian dianil di udara pada suhu 450 °C selama 0,5 jam.

Sintesis Fe₂ O₃ /TiO₂ NR Array

Tumbuh -Fe₂ O₃ pada TiO₂ NR, seperti yang diperoleh TiO₂ Array NR dimasukkan ke dalam larutan campuran FeCl₃ (15 ml, 0,1 M) dan NaNO₃ (15 ml, 0,5 M) lalu dipindahkan ke autoklaf. Pemanasan pada 100 °C selama 2 jam, autoklaf didinginkan hingga suhu kamar dan substrat FTO dicuci dengan air deionisasi dan etanol beberapa kali. Terakhir, substrat FTO dianil di udara pada 450 °C selama 1 jam.

Sintesis CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR

Didapatkan -Fe₂ O₃ /TiO₂ Susunan NR diberi perlakuan awal dengan larutan etanol asam mercaptopropinioc (MPA, 0,3 M) semalaman pada suhu 50 °C dan kemudian dicuci dengan etanol untuk menghilangkan MPA berlebih. Untuk mendepositkan lapisan CdS, diterapkan metode facile suksesi lapisan ionik adsorpsi dan reaksi (SILAR). Array NR pra-perawatan berturut-turut dimasukkan ke dalam empat solusi berbeda selama 30 d, termasuk Cd(NO₃ )₂ ·4H₂ O (etanol, 0,1 M), etanol murni, Na₂ S·9H₂ O (metanol, 0,2 M) dan metanol murni, masing-masing. Proses SILAR diulang sebanyak lima kali dan kemudian substrat dicuci dengan metanol untuk menghilangkan CdS ekstra.

Karakterisasi Material

Struktur fasa dikarakterisasi dengan difraktometer serbuk sinar-X (XRD) dalam kisaran 2θ dari 20 hingga 80 °. Morfologi produk dipelajari dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM) terpasang spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS). Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dikumpulkan melalui peralatan U-Twin Tecnai 20. Spektrum serapan dan fotoluminesensi (PL) diuji masing-masing dengan TU-1900 dan Hitachi U-4100.

Karakterisasi Kinerja Fotoelektrokimia

Kinerja oksidasi air PEC ditandai dengan stasiun elektrokimia CHI660E dengan mode tiga elektroda. Elektrolit yang digunakan terdiri dari NaOH 1M. Sebelum pengujian, sistem digelembungkan dengan argon selama 30 menit untuk menghilangkan gas terlarut elektrolit. Linear sweep voltammograms (LSV) dan kronoamperometrik I-t kurva direkam di bawah iluminasi sinar matahari standar (100 mW cm^− 2 ). Plot Mott-Schottky diukur dalam gelap pada frekuensi AC 1,0 kHz.

Selanjutnya potensial elektroda diubah menjadi potensial RHE dengan persamaan Nernst:

$$ {E}_{\mathrm{RHE}}={E}_{\mathrm{Ag}/\mathrm{AgCl}}+0,059\ \mathrm{pH}+{E^o}_{\mathrm{ Ag}/\mathrm{AgCl}} $$ (1)

dimana E _RE adalah potensi yang dikonversi vs. RHE, E _Ag/AgCl adalah potensial terukur vs. elektroda Ag/AgCl, dan E ^o _Ag/AgCl = 0,1976 V pada 25 °C.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Struktur dan Morfologi

Struktur fasa produk yang disintesis dicirikan oleh pola XRD pada Gambar 1. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1a, rutil TiO₂ nanorod arrays (NR) berhasil disintesis. Puncak difraksi pada 36,0°, 44,1°, 54,3°, 62,7°, 64,0°, 65,4°, dan 69,8° sesuai dengan (101), (210), (211), (002), (310), (221 ), dan (112) bidang rutil TiO₂ (JCPDS. 21-1276). Setelah pengendapan Fe₂ O₃ , puncak difraksi XRD tambahan pada 32,9° dan 45,2° dapat diindeks ke (222) dan (332) bidang Fe₂ O₃ (JCPDS. 39-0238). Proses SILAR diterapkan untuk menumbuhkan nanopartikel CdS, puncak difraksi pada 26,4°, 28,2° sesuai dengan baik (002) dan (101) bidang CdS (JCPDS. 65-3414) mengkonfirmasi keberhasilan pertumbuhan nanopartikel CdS pada Fe₂ O₃ /TiO₂ . Gambar SEM pada Gambar 1b menunjukkan bahwa TiO₂ NR ditanam secara seragam pada substrat FTO dengan diameter 50 nm. Permukaan NR relatif halus. Setelah pertumbuhan Fe₂ O₃ pada permukaan TiO₂ , diameter Fe₂ O₃ /TiO₂ semakin besar dan meningkat menjadi 60 nm. Selain itu, permukaan NR menjadi lebih kasar. Deposisi nanopartikel CdS lebih lanjut dapat menyebabkan peningkatan diameter Fe₂ O₃ /TiO₂ komposit NR. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut distribusi elemen dari CdS/Fe yang diperoleh₂ O₃ /TiO₂ NR, gambar pemetaan EDS lintas-tampilan direkam dan ditampilkan dalam File tambahan 1:Gambar S1, File tambahan 2:Gambar S2. Terlihat bahwa unsur Ti, Fe, Cd, dan S terdistribusi secara merata antar sampel.

a Pola XRD dan b Gambar SEM TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, dan CdS/Fe₂ O₃

Gambar HRTEM dan pola difraksi elektron area (SAED) terpilih dari CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR ditunjukkan pada Gambar. 2. Dapat dilihat bahwa kedua TiO₂ dan Fe₂ O₃ terkristalisasi dengan baik dan nanopartikel CdS ditumbuhkan pada permukaan Fe₂ O₃ . Spasi kisi 0,31, 0,27, dan 0,21 nm dapat dikorelasikan dengan baik dengan bidang (101), (222), dan (210) CdS, Fe₂ O₃ , dan TiO₂ , masing-masing (Gbr. 2a). Cincin difraksi dari pola SAED yang terekam pada Gambar 2b dapat dilihat, yang dapat diindeks dengan baik ke (101), (210) bidang rutil TiO₂ , (222), (332) bidang Fe₂ O₃ , dan (002), (101) bidang CdS, masing-masing. Hasil TEM sesuai dengan hasil karakterisasi XRD.

a Gambar HRTEM dari CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR. Jarak d yang ditandai sebesar 0,31 nm sesuai dengan bidang (101) CdS, jarak d sebesar 0,27 nm sesuai dengan bidang (222) Fe₂ O₃ dan jarak-d 0,21 nm sesuai dengan bidang (210) TiO₂ . b Pola difraksi elektron area terpilih dari CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, cincin difraksi sesuai dengan bidang (002), (101) dari CdS, (222), (332) bidang Fe₂ O₃ dan (101), (210) bidang TiO₂

Komposisi kimia dan keadaan valensi CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR hibrida dipelajari oleh spektrum XPS. Gambar 3a menunjukkan spektrum survei, keberadaan unsur Ti, Fe, O, Cd, dan S ditunjukkan. Penampilan elemen C ditentukan oleh penahanan berbasis karbon. Untuk spektrum Ti 2p XPS pada Gambar. 3b, dua puncak yang terpisah ini pada 458,2 dan 464,2 eV dapat ditetapkan ke Ti 2 p_3/2 dan 2 p_1/2 dari TiO₂ [20]. Spektrum XPS Fe 2p ditunjukkan pada Gambar. 3c. Dua puncak yang berbeda pada 710.6 dan 724.10 eV dapat dilihat, yang sesuai dengan Fe 2 p_3/2 dan 2 p_1/2 puncak -Fe₂ O₃ [21]. Spektrum XPS tingkat inti O 1s ditunjukkan pada Gambar. 3d, di mana puncak pada 531,2 eV dikaitkan dengan ikatan Ti–O antara titanium dan oksigen, dan puncak pada 531,9 eV dapat dikaitkan dengan ikatan Fe–O antara besi dan oksigen [20, 21]. Gambar 3e menunjukkan spektrum XPS dari Cd, yang dikaitkan dengan Cd 3d_5/2 pada 405,2 eV. Spektrum XPS dari S 2P ditunjukkan pada Gambar. 3f [22]. Puncak tengah dipecah menjadi dua puncak S 2p_1/2 dan 2p_3/2 pada 161,5 dan 162,6 eV [22].

a Spektrum XPS dari CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Sampel NR, b Spektrum XPS dari Ti 2p termasuk Ti 2p_1/2 dan Ti 2p_3/2 , c Spektrum XPS Fe 2p termasuk Fe 2p_1/2 dan Fe 2p_3/2 , d Spektrum XPS O 1s termasuk ikatan Fe–O dan ikatan Ti–O, e Spektrum XPS dari Cd 3d_5/2 , dan f Spektrum XPS dari S 2p termasuk S 2p_1/2 dan S 2p_3/2

Gambar 4a menunjukkan spektrum serapan fotoelektroda yang berbeda. TiO₂ menunjukkan tepi pita serapan khas pada 400 nm, yang dapat dikaitkan dengan penyerapan celah pita intrinsik TiO₂ (3.2 eV). Setelah digabungkan dengan Fe₂ O₃ , Fe₂ O₃ /TiO₂ menunjukkan peningkatan penyerapan di wilayah cahaya tampak sekitar 540 nm. Perpanjangan tepi pita serapan disebabkan oleh komponen peka-terlihat dari Fe₂ O₃ (2.0–2.2 eV). Setelah modifikasi lebih lanjut dari nanopartikel CdS, tepi penyerapan cahaya dapat diperpanjang hingga 580 nm. Ini menegaskan bahwa kopling TiO₂ dengan Fe₂ O₃ dan CdS dapat secara efektif menyetel properti penyerapan cahaya ke wilayah cahaya tampak. Spektrum Photoluminescence (PL) diterapkan untuk mempelajari pengaruh penggabungan CdS dan Fe₂ O₃ di CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ hybrid pada perilaku transportasi dan rekombinasi pembawa fotogenerasi. Semakin rendah intensitas puncak PL, semakin tinggi efisiensi pemisahan pasangan pembawa fotogenerasi dalam sampel. Gambar 4b menunjukkan spektrum PL TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ sampel. Jelas bahwa Fe₂ O₃ /TiO₂ NR mencapai tingkat rekombinasi pembawa yang lebih rendah daripada TiO murni₂ , dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR mencapai kinerja transportasi operator terbaik.

a Spektrum serapan UV-vis dan b Spektrum PL TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Sampel NR

Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut kesimpulan ini, plot transien fluoresensi yang diselesaikan dengan picosecond diuji dan ditampilkan sebagai File tambahan 3:Gambar S3. Rata-rata seumur hidup τ dihitung menurut τ = (B₁ ₁ [2] + B ₂ τ ₂ [2])/(B₁ ₁ + B₂ ₂ ) dan konstanta waktu transien fluoresensi pada 511 nm tercantum dalam file tambahan 4:Tabel S1 [23]. Dapat dilihat bahwa setelah memodifikasi TiO murni₂ dengan Fe₂ O₃ , masa pakai pembawa fotogenerasi diperpanjang. Digabungkan dengan CdS, masa pakai carrier dapat lebih ditingkatkan. Hasil ini jelas menunjukkan kinerja pemisahan muatan dapat ditingkatkan secara efektif dengan membentuk CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ multi-persimpangan.

Kemungkinan proses transpor pembawa diilustrasikan pada Gambar 5. Dalam CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ sistem terner, karena posisi pita konduksi dan pita valensi CdS lebih tinggi daripada Fe₂ O₃ , elektron yang diinduksi foto dalam CdS akan diangkut ke pita konduksi Fe₂ O₃ , sedangkan lubang yang diinduksi foto pada pita valensi Fe₂ O₃ akan dibawa ke CDS. Untuk rancangan heterostruktur abnormal tipe-II antara Fe₂ O₃ /TiO₂ , posisi pita konduksi Fe₂ O₃ lebih tinggi dari TiO₂ . Di bawah penerangan sinar matahari, pasangan lubang elektron yang terfotoeksitasi akan menghasilkan keduanya di TiO₂ dan Fe₂ O₃ . Elektron yang dihasilkan foto dalam pita konduksi Fe₂ O₃ akan segera berpindah ke pita valensi TiO₂ untuk bergabung kembali dengan lubang fotogenerasi, sehingga sangat meningkatkan efisiensi pemisahan lubang fotogenerasi dalam Fe₂ O₃ dan meningkatkan efisiensi injeksi elektron fotogenerasi di TiO₂ [24, 25]. Ini menyiratkan bahwa kopling TiO₂ dengan Fe₂ O₃ dan CdS dapat secara efektif mengurangi tingkat rekombinasi dari pasangan pembawa fotogenerasi. Sementara itu, elektron fotogenerasi di TiO₂ pindah ke elektroda lawan di mana reaksi reduksi berlangsung. Jadi, heterostruktur tipe II abnormal antara Fe₂ O₃ /TiO₂ memainkan peran penting dalam peningkatan kinerja oksidasi air PEC.

Posisi pita relatif dari CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ sistem terner

Gambar 6 menggambarkan linear sweep voltammograms (LSV) dan kronoamperometrik I-t kurva CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , dan TiO₂ sampel. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6a, kerapatan arus foto dari fotoanoda di bawah penerangan secara bertahap meningkat setelah digabungkan dengan -Fe₂ O₃ dan nanopartikel CdS, dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Sampel NR menunjukkan kerapatan arus foto terbesar sebesar 0,61 mA cm^− 2 pada 1,2 V vs. RHE, yang hampir dua kali lipat dari TiO kosong₂ Sampel. Aku-t kurva pada potensi bias 1,2 V vs. RHE di bawah iluminasi cincang ditunjukkan pada Gambar. 6b, dapat dilihat bahwa sampel tetap memiliki stabilitas yang sangat baik dan properti respons optik yang baik di bawah iluminasi cincang. CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Sampel NR mempertahankan kerapatan arus foto sekitar 0,6 mA cm^− 2 , yang sesuai dengan kurva LSV.

a Kurva LSV dari TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Iluminasi sampel NR dalam NaOH 1M, b kronoamperometrik I-t kurva pada potensi bias 1,2 V di bawah pencahayaan yang dipotong

Pengukuran EIS dilakukan di bawah iluminasi dan plot Nyquist ditunjukkan pada Gambar 7a dan File tambahan 5:Gambar S4. Mereka menunjukkan bahwa plot Nyquist memiliki dua setengah lingkaran dengan resistansi seri kontak (R _s ) pada substrat FTO. Setengah lingkaran kecil di plot Nyquist dikaitkan dengan resistansi transpor muatan pada antarmuka elektroda/elektrolit, dan setengah lingkaran besar mewakili resistansi transfer muatan yang terkait dengan transpor/rekombinasi elektron dalam bahan fotoanoda. Resistansi lembaran (R _s ) dari substrat, resistansi transfer muatan dari counterelectrode (R _ct1 ), dan hambatan transfer muatan (R _ct2 ) disimulasikan oleh perangkat lunak Zview dan data terkait ditampilkan dalam file tambahan 6:Tabel S2. R . yang pas _s dan R _ct1 nilai untuk semua sampel serupa karena konfigurasi yang sama dan substrat tumbuh diterapkan, sedangkan R _ct2 nilai menunjukkan variasi yang jelas dari 1079,5, 880,6, dan 679,5 Ω untuk TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ , masing-masing. Dapat dilihat bahwa setelah memodifikasi TiO₂ dengan Fe₂ O₃ dan CdS, kinetika transfer muatan antar muka sangat ditingkatkan.

a Spektrum EIS diukur pada potensi bias 1,2 V di bawah iluminasi dan b Plot Mott-Schottky dikumpulkan pada frekuensi 1 KHz dalam gelap untuk TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, dan CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Sampel NR

Plot Mott-Schottky dari sampel yang diperoleh tercantum pada Gambar. 7b. Kemiringan yang ditentukan dari plot Mott-Schottky digunakan untuk memperkirakan kepadatan pembawa menurut persamaan berikut [26]:

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

dimana e ₀ adalah muatan elektronik, ε adalah konstanta dielektrik sampel, ε ₀ adalah permitivitas ruang hampa, Nd adalah kerapatan donor, dan V adalah tegangan yang diterapkan. Secara umum, kemiringan yang relatif lebih kecil menunjukkan kepadatan pembawa yang lebih tinggi.

Potensi pita datar dapat diperkirakan dengan persamaan berikut:

$$ \frac{1}{C^2}=\frac{2}{e_0{\varepsilon \varepsilon}_0\mathrm{Nd}}\times \left[E-{E}_{\mathrm{fb} }-\frac{kT}{e}\right] $$

Potensi pita datar (E _fb ) ditentukan dengan mengambil x mencegat kecocokan linier dengan plot Mott-Schottky, 1/C ² , sebagai fungsi dari potensial yang diterapkan (E ). Selain itu, pergeseran katodik yang luar biasa pada potensial datar dari 0,44 V untuk TiO₂ sampel ke 0,36 V untuk CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ sampel NR diamati. Ini menunjukkan akumulasi elektron yang lebih besar di heterojungsi dan mencerminkan penurunan rekombinasi muatan.

Harus diperhatikan bahwa kinerja oksidasi air PEC dari sampel CdS/Fe2O3/TiO2 yang disintesis sebanding dengan beberapa pekerjaan terkait. Misalnya, Sharma et al. melaporkan Fe-TiO₂ /Zn-Fe₂ O₃ film tipis dengan kinerja 0,262 mA cm^− 2 pada 0.95 V (vs. SCE) [27], sedangkan FTO/Fe₂ O₃ /ZnFe₂ O₄ photoanode mencapai kerapatan arus foto 0,4 mA cm^− 2 [28]. Selain itu, untuk Fe yang dilaporkan₂ O₃ /TiO₂ fotoanoda nanotube, rapat arus foto 0,5 mA cm^− 2 dicapai [29, 30]. Dibandingkan dengan karya terkait, dapat dilihat bahwa diperoleh CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ photoanode memang mendapatkan kinerja pemisahan air PEC yang luar biasa dan andal di sini.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, metode hidrotermal adsorpsi dan reaksi lapisan ionik berurutan (SILAR) yang lancar dikembangkan untuk membuat Fe₂ termodifikasi CdS. O₃ /TiO₂ Susunan NR untuk oksidasi air PEC yang efisien. Studi UV-vis mengkonfirmasi CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Array NR menampilkan kinerja respons optik yang sangat baik dengan rentang penyerapan cahaya yang diperluas. Diterapkan sebagai fotoanoda untuk oksidasi air PEC, CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Fotoanoda larik NR menunjukkan kepadatan arus foto yang sangat ditingkatkan sebesar 0,62 mA cm^− 2 (1,23 V vs. RHE) dalam elektrolit basa dibandingkan dengan TiO murni₂ (0,32 mA cm^− 2 pada 1,23 V vs. RHE).