Produksi Hidrogen Cahaya Terlihat Efisien dengan Hibrid g-C3N4/GO Sensitizer Eosin Y dan Kokatalis Paduan PtNi

Abstrak

Penggabungan kokatalis padena platinum–nikel (PtNi) dengan hibrid g‑C₃N₄/grafit oksida (GO) yang disensitizer oleh pewarna organik Eosin Y menghasilkan laju evolusi hidrogen tak terdahulu sebesar 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ di bawah irradiasi cahaya terlihat. Padena PtNi, yang disintesis dengan pendekatan reduksi kimiawi dan sonokimia yang sederhana, mengurangi pemuatan Pt sambil mempertahankan aktivitas katalitik. Studi perbandingan menunjukkan sistem PtNi aktif 1,54 kali lebih banyak dari Pt murni dan 1.178 kali lebih banyak dari Ni murni, yang menyoroti interaksi sinergis yang mendorong transfer elektron dan meningkatkan situs reaktif. Pengukuran pemadaman fotoluminescensi dan arus foton transien mengonfirmasi bahwa padena meningkatkan pemisahan pemuat muatan, sehingga mendorong reaksi evolusi hidrogen (HER) secara efisien.

Latar Belakang

Pembangkitan hidrogen yang didorong matahari menawarkan alternatif bersih bagi bahan bakar fosil. Untuk membuat teknologi ini praktis, diperlukan fotokatalis yang responsif terhadap cahaya terlihat dan kokatalis yang efisien serta berbiaya rendah. Meskipun Pt logam mulia sangat efektif, kekurangannya dan biayanya yang mahal mendorong pengembangan padena logam dua yang menggantikan sebagian Pt dengan logam transisi yang lebih murah seperti Ni. Studi sebelumnya tentang padena PtNi atau PtCo pada gastgeber semikonduktor telah menunjukkan aktivitas HER yang setara atau lebih unggul. Di sini, kami melaporkan penggunaan pertama dari hibrid g‑C₃N₄/GO yang disensitizer Eosin Y dan dihiasi dengan padena PtNi, mencapai evolusi hidrogen dari air yang mencatat rekor di bawah cahaya matahari simulasi.

Bahan dan Metode

Persiapan g‑C₃N₄ dan GO

g‑C₃N₄ polimerik diperoleh dengan kondensasi termal urea pada 600 °C selama 2 jam. GO disintesis dengan metode Hummers yang dimodifikasi dan dikeringkan dengan bekukan. Komposit g‑C₃N₄/GO (rasio massa 2:1) dispersi ultrasonik dalam air untuk mendorong kontak yang erat.

Penambatan Padena PtNi

Garam Pt dan Ni ditambahkan bersama ke dalam dispersi etanol anhidrat g‑C₃N₄, diikuti oleh reduksi NaBH₄. Penguatan simultan Pt dan Ni (rasio molar 1:1) menghasilkan nanopartikel PtNi yang tersebar merata (diameter rata-rata <5 nm) pada matriks g‑C₃N₄/GO. Komposit yang dihasilkan (PtNi/GO‑0.5%) dikoleksi, dicuci, dan dikeringkan pada 60 °C.

Uji Fotokatalitik

Evolusi hidrogen diukur dalam reaktor Pyrex yang berisi 100 mL larutan akuos trietanolamina (TEOA) 20 % (v/v) (pH = 7) dengan 50 mg fotokatalis dan 50 mg Eosin Y. Suspensi diinjak oleh lampu xenon 300 W (λ > 420 nm), dan H₂ diukur dengan kromatografi gas.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Struktural

Diffraksi sinar-X mengonfirmasi struktur grafitik g‑C₃N₄ (2θ = 13,8° dan 27,4°). Citra TEM menunjukkan morfologi lapisan tipis dan mengonfirmasi kehadiran nanopartikel PtNi kecil yang tersebar baik. Analisis XPS menunjukkan Pt dalam keadaan oksidasi hampir nol, sementara Ni menunjukkan pergeseran kecil ke energi ikatan yang lebih rendah, yang menunjukkan pembentukan padena. Rasio Pt:Ni ditetapkan sebesar 9:11 oleh XPS, dekat dengan rasio molar target 1:1.

Kinerja Evolusi Hidrogen

Komposit PtNi/GO‑0.5% mencapai 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, unggul dibanding Pt/GO (3,82 mmol g⁻¹ h⁻¹) dan Ni/GO (0,005 mmol g⁻¹ h⁻¹). Pengoptimalan rasio Pt/Ni mengungkapkan maksimum pada 1:1; peningkatan Ni melebihi rasio ini mengurangi aktivitas HER karena kehilangan situs aktif Pt. Pemuatan PtNi optimal adalah 0,5 wt % relatif terhadap matriks g‑C₃N₄/GO; pemuatan yang lebih tinggi menghambat penyerapan cahaya dan sedikit menurunkan kinerja.

Stabilitas

Empat siklus irradiasi berturut-turut selama 4 jam menunjukkan penurunan <5 % dalam produksi H₂, yang menunjukkan fotostabilitas yang baik yang disebabkan oleh kerangka g‑C₃N₄ yang kuat dan Eosin Y yang terikat kovalen.

Wawasan Mekanisme

Spektral UV‑Vis refleksi difusa menunjukkan bahwa padena PtNi meningkatkan pemisahan muatan bukan penyerapan cahaya. Pengukuran pemadaman fotoluminescensi dan arus foton transien mengonfirmasi pemisahan lubang-elektron yang paling efisien dalam sistem PtNi/GO, berkorelasi dengan laju HER tertinggi. Siklus fotokatalitik yang diusulkan melibatkan transfer elektron dari Eosin Y yang terangsang ke g‑C₃N₄/GO dan kemudian ke padena PtNi, di mana proton direduksi menjadi H₂. Lubang mengoksidasi TEOA sebagai bahan pengorban.

Kesimpulan

Studi ini menunjukkan bahwa kokatalis padena PtNi, yang disintesis melalui jalur reduksi/sonikasi yang sederhana, secara dramatis meningkatkan evolusi hidrogen fotokatalitik cahaya terlihat pada hibrid g‑C₃N₄/GO yang disensitizer Eosin Y. Dengan laju 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, sistem ini menawarkan alternatif yang hemat biaya dibanding Pt murni, membuka jalan bagi produksi hidrogen berkelanjutan dan berkelanjutan.