Fotokatalis Berdaya Tinggi Cahaya Visibel: Hiasan Nanopartikel Cu₂O Seragam pada Array Nanowires Silikon dengan Reflektivitas Minimal

Abstrak

Dengan penerapan electrodeposisi elektroless dua tahap pada suhu ruang, kami mencapai cobertura nanopartikel Cu₂O yang sangat seragam di sepanjang dinding samping nanowire silikon (SiNWs) dengan aspek rasio tinggi. Studi komparatif antara morfologi teragregasi (A-Cu₂O/SiNWs) dan terdisersi (D-Cu₂O/SiNWs) menunjukkan bahwa hiasan seragam meningkatkan efisiensi fotodegradasi lebih dari tiga kali lipat relatif terhadap struktur teragregasi dan sembilan kali lipat dibandingkan SiNWs polos. Performa ini dikaitkan dengan penurunan rekombinasi penurun dan penyerapan cahaya yang superior dalam konfigurasi terdisersi.

Latar Belakang

Cu₂O, dengan jarak energi langsung 2,0–2,2 eV, adalah fotokatalis yang menjanjikan, beracun rendah, dan melimpah yang mampu degradasi polutan organik di bawah cahaya visibel [1–4]. Namun, penerapan praktisnya telah terhalang oleh agregasi dan ketidakstabilan morfologi dalam media air. SiNWs, yang dikenal memiliki hidrofilik, keawetan mekanis, dan stabilitas kimia, menyediakan rangka yang menarik untuk menahan Cu₂O, menawarkan manfaat penangkap cahaya tambahan melalui pencaran ganda [8–13]. Tantangan utamanya adalah mencapai penambahan Cu₂O yang seragam di dinding samping SiNWs dengan aspek rasio tinggi menggunakan proses larutan murah. Di sini kami menyajikan jalur electrodeposisi elektroless dua tahap yang mudah yang menghasilkan heterostruktur Cu₂O/SiNW seragam, memungkinkan pemisahan muatan yang efisien dan fotokatalisis visibilitas tinggi.

Metode / Eksperimen

Bahan

Wafer Si tipe p (100) (Czochralski), AgNO₃ (99,85 %), HF (48 %), HNO₃ (65 %), CuSO₄·5H₂O (98 %), dan metilen biru (MB) diperoleh dari Acros dan Fisher Scientific. Semua kimia digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Pembuatan Array Nanowire Silikon

Wafer Si dibersihkan dan direndam dalam larutan 0,02 M AgNO₃ / 4,8 M HF di bawah pengadukan lembut pada suhu ruang. Setelah dicuci dengan air deionis, sampel di-etch dalam HNO₃ 63 % selama 15 menit untuk menghapus Ag tersisa, diikuti dengan pencucian air deionis dan penyimpanan vakum.

Sintesis Nanopartikel Cu₂O

Dua strategi elektroless digunakan:

• Metode 1 (Teragregasi): SiNWs langsung direndam dalam 0,015 M CuSO₄ / 4,5 M HF selama 3 menit, mengakibatkan agregasi Cu di ujung nanowire. Sampel ini ditandai sebagai A-Cu₂O/SiNWs.
• Metode 2 (Terdisersi): SiNWs pertama kali diekpos ke 0,015 M CuSO₄ selama 15 menit, kemudian ditreat secara berurutan dengan HF untuk memicu reduksi Cu²⁺ seragam sepanjang permukaan kawat. Sampel ini dilabeli sebagai D-Cu₂O/SiNWs.

Semua sampel dicuci dengan air deionis dan dioksidasi termal pada 90 °C selama 30 menit.

Karakterisasi

Morfologi dan komposisi diperiksa oleh FESEM (Hitachi JSM-6390) dan EDX (Oxford INCA 350). TEM (JEM-2100F) menyediakan distribusi nanopartikel detail setelah sonikasi dalam etanol. Pola XRD direkam pada diffractometer Rigaku Multiflex (Cu-Kα). Reflektansi optik diukur dengan spektrofotometer UV-Vis-NIR Varian Cary 5000. Aktivitas fotokatalitik dievaluasi dalam reaktor PanChum PR-2000 di bawah iluminasi 580 nm, menggunakan MB 0,2 mM. Sampel disejajarkan dalam gelap selama 40 menit, kemudian diiradiasi; alikot diambil setiap 10 menit, diencerkan, dan dianalisis dengan spektrofotometer PC Shimadzu UV-2401.

Hasil dan Pembahasan

Dua jalur penambahan menghasilkan morfologi yang berbeda (Gambar 1). Dalam Metode 1, agregasi Cu terbentuk terutama di ujung nanowire, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1c, yang membatasi penetrasi cahaya. Sebaliknya, Metode 2 menghasilkan lapisan Cu₂O yang padat dan seragam sepanjang seluruh dinding samping (Gambar 1d), yang dikonfirmasi oleh spektrum SEM dan EDX (Gambar 2a). Analisis XRD (Gambar 2b) mengungkapkan puncak khas Cu₂O pada (111), (200), dan (220) untuk kedua morfologi, bersama dengan puncak Cu (200) yang menunjukkan oksidasi yang tidak sempurna.

Pengukuran reflektansi optik (Gambar 2c) menunjukkan bahwa D-Cu₂O/SiNWs menunjukkan rata-rata reflektansi hanya 3,8 %, sedikit lebih tinggi dari SiNWs polos (1,4 %) tetapi jauh lebih rendah dari sampel teragregasi (7,7 %). Spektra fotoluminesensi (Gambar 2d) menampilkan puncak 522 nm untuk semua sampel, dengan D-Cu₂O/SiNWs menunjukkan intensitas terendah, yang menunjukkan presensi rekombinasi elektron-lubang yang efisien.

Studi fotolistrik (Gambar 2e) lebih lanjut mengonfirmasi pemisahan muatan yang superior: pada bias 4 V, inkremen fotolistrik adalah 0,216 mA (SiNWs), 0,527 mA (A-Cu₂O/SiNWs), dan 0,823 mA (D-Cu₂O/SiNWs). Analisis ukuran partikel (Gambar 2f) mengungkapkan diameter rata-rata 41,5 nm (teragregasi) dan 36,4 nm (terdisersi), yang menunjukkan kinetika nukleasi yang serupa.

Performa fotokatalitik (Gambar 4a) menunjukkan bahwa D-Cu₂O/SiNWs mengurangi konsentrasi MB menjadi 34,7 % setelah 100 menit, outperforming A-Cu₂O/SiNWs (55,4 %), Cu₂O/Si datar (62,1 %), dan SiNWs polos (77,1 %). Aktivitas yang ditingkatkan timbul dari rekombinasi yang berkurang, penyerapan cahaya yang ditingkatkan, dan transfer elektron yang efisien ke pita konduksi Cu₂O.

Analisis kinetik (Gambar 4c) menunjukkan bahwa model urutan kedua paling baik menggambarkan degradasi, dengan konstanta laju tertinggi untuk D-Cu₂O/SiNWs (Gambar 4d). Diagram skematis pita (Gambar 4e) menggambarkan bahwa elektron yang terangsang cahaya dari SiNWs bermigrasi ke Cu₂O, memulai oksidasi MB sementara lubang tetap di Si, sehingga meminimalkan rekombinasi.

Uji dapat digunakan ulang selama tiga siklus menunjukkan penurunan yang tidak signifikan dalam fitur XRD atau SEM (Berkas Tambahan 1), yang mengonfirmasi stabilitas struktural fotokatalis.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan proses electrodeposisi elektroless dua tahap yang scalable dan berbiaya rendah yang secara seragam menghiasi SiNWs dengan nanopartikel Cu₂O, menghasilkan heterostruktur yang secara signifikan menekan rekombinasi penurun dan meningkatkan fotokatalisis cahaya visibel. D-Cu₂O/SiNWs mencapai degradasi metilen biru hingga sembilan kali lebih cepat dibandingkan SiNWs polos. Temuan ini menyediakan platform yang kokoh untuk perangkat fotokatalitik canggih dalam pengolahan air, bahan bakar surya, dan di luar itu.

Singkatan

A

Teragregasi

D

Terdisersi

DI

Deionisasi

EDS

Energi-dispersif X-ray

FESEM

Mikroskopi elektron pemancar lapangan

SiNWs

Nanowire silikon

TEM

Mikroskopi transmisi elektron

XRD

Diffraksi X-ray

PL

Fotoluminesensi