Pemuatan Nanopartikel CeO₂ dengan Dekomposisi Termal Mudah pada Array Nanotubus TiO₂ Anoda
Abstrak
Studi ini menyajikan metode sederhana dan hemat biaya untuk menghiasi array nanotubus (NT) TiO₂ anoda dengan nanopartikel (NP) oksida cerium (CeO₂). Dengan memanfaatkan NT TiO₂ sebagai wadah nano, larutan Ce(NO₃)₃ yang cair dimasukkan ke dalam tubus, diikuti dengan anealing 450 °C yang secara termal mendekomposisi prekursor menjadi NP CeO₂ kristal kubik. Difraksi sinar-X (XRD), mikroskop elektron pemindai (SEM), spektroskopi Raman, dan spektroskopi X-ray energi-dispersif (EDS) mengonfirmasi pembentukan heterojunsi CeO₂/TiO₂ yang teratur. Komposit yang dihasilkan menawarkan aktivitas fotokatalitik yang ditingkatkan dan menjanjikan untuk rehabilitasi lingkungan serta aplikasi energi.
Latar Belakang
Dioxid titanium, terutama polimorf anatase, tetap menjadi fotokatalis acuan karena gap band lebar (~3,2 eV), stabilitas kimia, dan sifat non‑toksik. Namun, rekombinasi cepat pasangan lubang‑elektron yang dihasilkan cahaya membatasi efisiensi praktisnya. Memuat TiO₂ dengan semikonduktor gap band lebih sempit seperti CeO₂ kubik (gap band ~2,92 eV) dapat menciptakan heterojunsi yang memfasilitasi pemisahan muatan, meningkatkan produksi radikal, dan memperbaiki degradasi fotokatalitik polutan organik serta performa pengasa gas.
Jalur sintesis konvensional (sol‑gel, hidrotermal) sering menghasilkan bubuk CeO₂/TiO₂ dengan prosedur yang kompleks. Sebaliknya, metode kami langsung menyetir CeO₂ pada array NT TiO₂ yang terorganisasi sendiri, menyederhanakan fabriksi sambil memastikan kontak intim antara kedua fasa.
Bagian Eksperimental
Sintesis Array Nanotubus TiO₂
Lembar Ti komersial (5 × 1,5 cm) dibersihkan ultrasonik, kemudian dioksidasi dalam elektrolit glikol (10 mL H₂O, 1,66 g NH₄F) pada 60 V selama 2 jam. Film TiO₂ amorfa yang dihasilkan dianeal pada 450 °C selama 3 jam untuk menghasilkan NT anatase padat dengan diameter ~110 nm.
Pemuatan Ce(NO₃)₃ dan Pembentukan Heterojunsi CeO₂/TiO₂
Setiap film NT TiO₂ direndam secara singkat (3 detik) dalam larutan Ce(NO₃)₃ dengan konsentrasi yang bervariasi (0,05–1 mol L⁻¹). Larutan berlebih dihilangkan dengan filtrasi dan kemiringan halus untuk mempromosikan pengisian seragam. Film kemudian dikeringkan pada 70 °C selama 1 jam, diikuti dengan anealing pada 450 °C selama 2 jam untuk mendekomposisi Ce(NO₃)₃ menjadi NP CeO₂ di dalam dinding nanotubus.
Karakterisasi
- Fasa kristal: XRD (D/max 2400 X Series).
- Morfologi: SEM (JSM‑7000F, JEOL).
Pemetaan elemen: EDS. | - Analisis getaran: Raman (inVia, Renishaw).
Hasil dan Pembahasan
Kristalinitas
Pola XRD menunjukkan puncak anatase TiO₂ (misalnya, 25,28°, 36,80°) bersama refleksi CeO₂ kubik (111 pada 28,55°, 200 pada 33,08°). Peningkatan konsentrasi Ce(NO₃)₃ meningkatkan intensitas puncak CeO₂, mengonfirmasi incorporasi yang berhasil.
Morfologi Permukaan
Gambar SEM menunjukkan NT TiO₂ yang padat, mulut terbuka (~110 nm diameter). Setelah pemuatan, NP CeO₂ menghiasi mulut tubus dan dinding interior, dengan densitas partikel meningkat seiring konsentrasi prekursor. Ketebalan dinding nanotubus juga tumbuh sedikit karena penyetoran NP.
Komposisi Elemen
Spektrum EDS untuk NT TiO₂ murni hanya menampilkan Ti dan O. Setelah pemuatan (0,1 mol L⁻¹ Ce(NO₃)₃), Ce terdeteksi (~12 at %), mengonfirmasi penyetoran NP yang berhasil.
Spektroskopi Raman
Puncak karakteristik anatase pada ~400, 530, dan 645 cm⁻¹ tetap ada, sementara puncak baru pada ~460 cm⁻¹ muncul, yang dapat diatribusikan kepada CeO₂ kubik. Ini menguatkan struktur dual-fasa.
Mekanisme
Dekomposisi termal Ce(NO₃)₃ di dalam NT TiO₂ mengikuti:
Ce(NO₃)₃·6H₂O → Ce(NO₃)₃ + 6H₂O
Ce(NO₃)₃ → CeO₂ + NO↑ + O₂↑
Jadi, NP CeO₂ terbentuk in situ, ditempelkan erat pada dinding TiO₂.
Potensi Aplikasi
Dengan mengurangi rekombinasi muatan dan meningkatkan adsorpsi permukaan, heterojunsi CeO₂/TiO₂ menunjukkan degradasi fotokatalitik polutan yang ditingkatkan, potensi untuk evolusi hidrogen, dan pengasa oksigen suhu rendah.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan jalur yang sederhana dan terukur untuk menghasilkan film heterojunsi CeO₂/TiO₂ dengan mengisi array NT TiO₂ anoda dengan Ce(NO₃)₃ dan mendekomposisi prekursor secara termal. Film yang dihasilkan menggabungkan luas permukaan tinggi NT TiO₂ dengan properti elektronik menguntungkan CeO₂, menawarkan platform yang menjanjikan untuk teknologi energi dan lingkungan.
Singkatan
- EDS – Spektrometri energi-dispersif
- NT – Nanotubus
- SEM – Mikroskopi elektron pemindai
- XRD – Difraksi sinar-X
