Pengaruh Material, Heterostruktur, dan Orientasi Nanohibrida pada Aktivitas Fotokatalitik

Hasil dan Diskusi

Persiapan Struktur Nano dan Analisis Komposisi

Semua ZnO, Cu₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO disintesis dengan metode elektrodeposisi hemat biaya pada suhu kamar. Elektrodeposisi dilakukan dalam sel elektrokimia tiga elektroda standar dalam mode potensiostatik. Tekstur kristal ZnO, Cu₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO dicirikan melalui profil XRD. Citra XRD ZnO, Cu₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO yang dibuat dengan metode elektrodeposisi ditunjukkan pada Gambar. 1. Satu set puncak pada Gambar. 1a muncul di 2θ dari ca. 34,36°, 36,12°, dan 47,48° untuk nanorod ZnO, yang masing-masing ditetapkan untuk kristal ZnO (002), (101), dan (102). Semua puncak dalam nanorod ZnO dapat diindeks ke struktur wurtzite heksagonal ZnO, dan tidak ada fase lain yang terdeteksi dalam struktur nano ZnO, yang serupa dengan profil XRD di Ref. [39]. Selain itu, puncak ZnO (002) yang kuat menunjukkan bahwa nanorod berorientasi dengan kristalinitas tinggi diperoleh. Tiga puncak pada Gambar. 1b pada 2θ dari ca. 29,78°, 36,81°, dan 42,89° diamati untuk Cu₂ yang terelektrodeposisi Film O pada substrat ITO, yang ditetapkan ke (110), (111), dan (200) Cu₂ kristal O, masing-masing, menunjukkan bahwa Cu₂ O memiliki struktur kubik tembaga murni dengan orientasi yang disukai (111), yang sama dengan profil XRD di Ref. [38]. Difraksi puncak pada Gambar. 1c muncul di 2θ dari sekitar 16.21°, 27.20°, dan 32.69° dan dapat ditetapkan ke bidang (003), (101), dan (006) kristal CuSCN, masing-masing, yang dapat diindeks ke struktur rombohedral β -CuSCN [44]. Pola XRD pada Gambar 1d ditetapkan ke tiga puncak NiO utama pada 37,52°, 43,26°, dan 62,86°, yang masing-masing mengacu pada bidang (111), (200), dan (220), sama seperti XRD profil di Ref. [39]. Semua pola XRD mengungkapkan bahwa tidak ada fase lain yang terdeteksi, dan struktur nanonya tanpa pengotor. Gambar 1 e menunjukkan spektrum absorbansi ZnO, Cu₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO disiapkan dengan metode elektrodeposisi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1e, nanorod ZnO hanya dapat menyerap cahaya berenergi tinggi dengan panjang gelombang lebih pendek dari 370 nm. Tepi pita absorbansi pada 600 nm dapat diamati untuk Cu₂ O, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e, yang konsisten dengan celah pita Cu₂ O (2.1 eV). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e, CuSCN memiliki serapan rendah dan luas dengan panjang gelombang lebih dari 350 nm dan NiO memiliki serapan antara 350 dan 500 nm tetapi penyerapan rendah dengan panjang gelombang lebih dari 500 nm. Semua penyerapan ZnO, Cu₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO berada dalam kisaran ultraviolet dan tampak, dan ini akan menjamin penyerapan sinar ultraviolet di bawah iradiasi lampu Xe dalam eksperimen dekomposisi fotokatalitik dan menghasilkan pasangan lubang elektron.

Spektrum fotoelektron sinar-X ZnO (a ), Cu₂ O (pH 10, 20 mnt) (b ), CuSCN (3D) (c ), dan NiO (1 min) (d ) struktur nano disiapkan dengan metode elektrodeposisi dan spektrum absorbansi (e ) dari ZnO, Cu₂ Struktur nano O (pH 10, 20 min), CuSCN(3D), dan NiO(1 min) disiapkan dengan metode elektrodeposisi

Desain dan Morfologi Heterostruktur

Heterojungsi berbeda berdasarkan nanorod ZnO tipe-n dan Cu tipe-p₂ Struktur nano O, CuSCN, dan NiO dengan orientasi berbeda dibuat. Pertama, ZnO, Cu₂ O, ZnO/Cu₂ O, dan Cu₂ O/ZnO disiapkan untuk degradasi fotokatalitik MO. Gambar 2 menunjukkan gambar SEM tampilan atas dari ZnO nanorods (a), ZnO/Cu₂ O (pH 12, 20 min) heterojungsi (b), Cu₂ O (pH 12, 20 min) (c), dan Cu₂ Heterojungsi O (pH 12, 20 min)/ZnO (d). File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan tampilan penampang dari keempat struktur ini. Gambar 3 menunjukkan gambar SEM tampilan atas ZnO/Cu₂ O (pH 10, 20 min) heterojungsi (a), ZnO/Cu₂ O (pH 10, 40 min) heterojungsi (b), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO heterojungsi (c), Cu₂ O (pH 10, 40 min)/ZnO heterojungsi (d), Cu₂ O (pH 10, 20 min) (e), dan Cu₂ O (pH 10, 40 min) (f). File tambahan 1:Gambar S2 menunjukkan tampilan penampang enam struktur ini. Seperti yang terlihat dari tampilan atas yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan tampilan penampang pada file Tambahan 1:Gambar S1(a), nanorod ZnO yang diperoleh dengan metode elektrodeposisi hampir merupakan struktur prisma segi enam. Diameter dan panjang nanorod masing-masing berkisar antara 200–300 nm dan 800–1200 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c dan 3e dan f, dapat diketahui bahwa Cu₂ Kristal O tumbuh dari kubus menjadi oktahedra ketika nilai pH larutan elektrodeposisi berubah dari 10 menjadi 12. Kristal yang diperoleh pada pH ~ 10 dengan waktu reaksi 20 dan 40 min tidak semuanya berbentuk kubus sempurna karena pembubaran yang berbeda dari kristal. kristal dalam larutan reaksi [45]. Juga dapat dilihat dengan jelas bahwa Cu₂ Kristal O tumbuh lebih besar dan lebih padat sesuai dengan waktu yang lebih lama, dan Cu₂ Kristal O akan berkerumun dan berkumpul bersama ketika waktu reaksi lebih lama. Dalam proses agregasi, Cu₂ Kristal O akan menjadi tidak berbentuk karena densitas yang besar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b dan 3a dan b, dapat disimpulkan bahwa Cu₂ Kristal O yang ditumbuhkan pada nanorod ZnO sama kompaknya dengan Cu₂ Kristal O yang tumbuh pada substrat kaca ITO yang telanjang dan beberapa lebih kecil dari Cu₂ Kristal O ditumbuhkan pada kaca ITO karena titik nukleasi yang berbeda. Ketika nilai pH larutan reaksi adalah 10, nanorod ZnO ditumbuhkan pada Cu₂ Kristal O lebih kompak daripada nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada kaca ITO, dan diameter serta panjang nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada Cu₂ Kristal O hampir sama dengan nanorod ZnO yang ditanam pada kaca ITO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c dan d. Nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada Cu₂ Kristal O (pH 10, 40 min) sedikit lebih padat daripada nanorod ZnO yang ditanam di Cu₂ Kristal O (pH 10, 20 min), dan batang ZnO yang jauh lebih besar akan muncul pada lapisan nanorod ZnO. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada Cu₂ Kristal O (pH 12, 20 min) jauh lebih jarang daripada nanorod ZnO yang ditanam pada kaca ITO. Diameter dan panjang nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada Cu₂ Kristal O (pH 12, 20 min) tidak homogen dalam rentang yang besar.

Gambar SEM tampilan atas dari ZnO nanorods (a ), ZnO/Cu₂ O (pH 12, 20 min) heterojungsi (b ), Cu₂ O (pH 12, 20 min) (c ), dan Cu₂ Heterojungsi O (pH 12, 20 min)/ZnO (d )

Gambar SEM tampilan atas ZnO/Cu₂ O (pH 10, 20 min) heterojungsi (a ), ZnO/Cu₂ O (pH 10, 40 min) heterojungsi (b ), Cu₂ Heterojungsi O (pH 10, 20 min)/ZnO (c ), Cu₂ Heterojungsi O (pH 10, 40 min)/ZnO (d ), Cu₂ O (pH 10, 20 min) (e ), dan Cu₂ O (pH 10, 40 min) (f )

Kedua, ZnO, CuSCN, ZnO/CuSCN, dan CuSCN/ZnO disiapkan untuk degradasi fotokatalitik MO. Dua struktur nano CuSCN yang berbeda, struktur seperti prisma heksagonal (3D) dan kawat nano (NW), disiapkan dengan metode elektrodepositon. Gambar 4 menunjukkan gambar SEM tampak atas dari heterojungsi ZnO/CuSCN (3D) (a), heterojungsi ZnO/CuSCN (NWs) (b), heterojungsi CuSCN (3D)/ZnO (c), heterojungsi CuSCN (NWs)/ZnO ( d), CuSCN (3D) (e), dan CuSCN (NWs) (f). File tambahan 1:Gambar S3 menunjukkan tampilan penampang enam struktur ini. Struktur CuSCN (3D) dan CuSCN (NWs) yang dielektrodeposisi pada nanorod ZnO lebih padat daripada struktur pada kaca ITO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b. Nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (3D) sebagian tergores oleh larutan reaksi CuSCN dengan pH erosif 1,5, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a dan File tambahan 1:Gambar S3(a). Nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (NWs) terutama tergores oleh larutan reaksi CuSCN dengan pH 1,5, tetapi garis besar nanorod ZnO dipertahankan setelah elektrodeposisi struktur CuSCN (NWs), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b dan File tambahan 1:Gambar S3(b). CuSCN (3D) pada nanorod ZnO jauh lebih intensif daripada struktur CuSCN (NWs) pada nanorod ZnO, dan nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (NWs) hampir menghilang hanya tersisa sisa prisma segi enam ZnO. Nanorod ZnO yang dipreparasi pada lapisan CuSCN lebih kompak daripada nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada kaca ITO, dan diameter serta panjang nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada CuSCN lebih kecil daripada nanorod ZnO yang ditumbuhkan pada kaca ITO karena perbedaan titik nukleasi , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c dan d. Struktur CuSCN (3D) dan CuSCN (NWs) yang dibuat dengan metode elektrodeposisi pada kaca ITO diorientasikan dengan sangat rapat dan hampir vertikal ke substrat dengan diameter masing-masing sekitar 100 nm dan 80 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e dan f.

Gambar SEM tampak atas dari heterojungsi ZnO/ CuSCN (3D) (a ), ZnO/ CuSCN (NWs) heterojungsi (b ), Heterojungsi CuSCN (3D)/ZnO (c ), Heterojungsi CuSCN (NWs)/ZnO (d ), CuSCN (3D) (e ), dan CuSCN (NWs) (f )

Akhirnya, ZnO, NiO, ZnO/NiO, dan NiO/ZnO disiapkan untuk degradasi fotokatalitik MO. Gambar 5 menunjukkan gambar SEM tampilan atas dari ZnO/NiO (1 min) heterojunction (a), ZnO/NiO (10 min) heterojunction (b), NiO (1 min)/ZnO heterojunction (c), NiO (10 min) /ZnO heterojunction (d), NiO (1 min) (e), dan NiO (10 min) (f). File tambahan 1:Gambar S4 menunjukkan tampilan penampang enam struktur ini. Struktur nano NiO yang dielektrodeposisi pada nanorod ZnO selama 1  menit adalah meshwork yang berpotongan dengan nanorod ZnO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a dan File tambahan 1:Gambar S4(a). Nanorod ZnO yang dielektrodeposisi pada struktur nano NiO (1 min) sebagian terpapar tumbuh melalui meshwork NiO (1 min), dan bagian sisa dari nanorod ZnO tetap berada di meshwork yang tidak dapat dilihat pada gambar SEM tampilan atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c dan File tambahan 1:Gambar S4(c). Struktur nano NiO yang dielektrodeposisi pada kaca ITO selama 1 menit adalah meshwork interspersed multi-layer yang terdistribusi secara merata pada kaca ITO dengan luas permukaan spesifik yang tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e dan File tambahan 1:Gambar S4(e). Struktur nano NiO yang dielektrodeposisi pada nanorod ZnO selama 10 menit adalah bunga yang terdiri dari banyak partikel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b dan File tambahan 1:Gambar S4(b). Struktur nano NiO yang dielektrodeposisi pada kaca ITO selama 10 min terdiri dari banyak partikel NiO yang dapat membentuk lapisan kompak pada kaca ITO dan lapisan partikel pada lapisan kompak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5f dan File tambahan 1:Gambar S4(f ). Dari tampilan penampang SEM di File tambahan 1:Gambar S4(f), beberapa retakan dapat ditemukan pada lapisan kompak pada kaca ITO karena gaya ekstrusi yang dihasilkan oleh partikel NiO. Ketika ZnO dielektrodeposisi pada NiO (10 min), nanorod ZnO yang lebih kecil (dibandingkan dengan yang ada di kaca ITO) tumbuh pada lapisan partikel NiO, dan bentuk partikel NiO menghilang hanya menyisakan morfologi nanorod ZnO, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5d dan File tambahan 1:Gambar S4(d). Retakan pada lapisan kompak NiO pada kaca ITO juga dapat dilihat di File tambahan 1:Gambar S4(d), dan beberapa retakan pada struktur nanorod ZnO dihasilkan oleh retakan pada lapisan kompak.

Gambar SEM tampilan atas dari ZnO/NiO (1 min) heterojunction (a ), ZnO/NiO (10 min) heterojungsi (b ), NiO (1 min)/ZnO heterojungsi (c ), NiO (10 min)/ZnO heterojunction (d ), NiO (1 min) (e ), dan NiO (10 min) (f )

Aktivitas Fotokatalitik

Sifat fotokatalitik diselidiki melalui degradasi MO, polutan organik umum [46, 47]. Tiga sistem ZnO/Cu₂ O, ZnO/CuSCN, dan ZnO/NiO dibahas termasuk ZnO murni, Cu₂ murni O (atau CuSCN atau NiO), ZnO/Cu₂ O (atau CuSCN atau NiO), dan Cu₂ O (atau CuSCN atau NiO) dengan empat struktur di setiap sistem. Meskipun metode elektrodeposisi yang digunakan dalam pekerjaan ini untuk preparasi struktur nano hijau dan ramah lingkungan, metode preparasi mungkin memerlukan sejumlah besar bahan kimia yang tidak diinginkan yang merusak kehijauan metode. Masalah seperti pemulihan membran bahan kimia yang berkelanjutan dapat diselesaikan dengan proses hibrid kontinu yang terdiri dari reaktor aliran dan unit nanofiltrasi berikutnya untuk daur ulang pelarut dan reagen in situ yang dikembangkan oleh Szekely et al. [48]. File tambahan 1:Gambar S5 dan Gambar S6 menunjukkan perubahan konsentrasi MO tanpa dan dengan adanya fotokatalis yang berbeda. Jelas, kandungan MO memiliki sedikit perubahan tanpa adanya katalis dibandingkan dengan penambahan katalis. Di bawah iradiasi cahaya tampak, hanya 15% MO yang terdekomposisi setelah 40 menit tanpa katalis, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S5(a). Nanorod ZnO murni menunjukkan tingkat aktivitas fotokatalitik tertentu untuk dekomposisi MO. Namun, karena keterbatasan cacat internal (celah pita besar dan rekombinasi pasangan lubang elektron yang mudah) dan luas permukaan spesifik, kinerja fotokatalitik masih buruk, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S6(a), Gambar S6( b) dan Gambar S6(c). Perbandingan luas permukaan spesifik dari struktur nano diduga dari ukuran dan kepadatan permukaan dengan citra SEM [49,50,51]. Perubahan konsentrasi MO dengan ZnO, Cu₂ O (pH 10, 20 min), Cu₂ O (pH 10, 40 min), Cu₂ O (pH 12, 20 min), ZnO/Cu₂ O (pH 10, 20 min), ZnO/Cu₂ O (pH 10, 40 min), ZnO/Cu₂ O (pH 12, 20 min), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO, Cu₂ O(pH 10, 40 min)/ZnO, dan Cu₂ O (pH 12, 20 min)/ZnO sebagai katalis ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S6(a). Intensitas puncak serapan secara bertahap berkurang dan bergeser kebiruan seiring dengan peningkatan waktu penyinaran dari 0 menjadi 40 menit. Pergeseran biru dapat dikaitkan dengan dealkilasi [52]. Kinerja fotokatalitik dari tiga Cu₂ different yang berbeda O, Cu₂ O (pH 10, 20 min), Cu₂ O (pH 10, 40 min), dan Cu₂ O (pH 12, 20 min), serupa karena morfologi yang sama dan luas permukaan spesifik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c dan 3a dan b. Kinerja fotokatalitik Cu₂ . yang murni O lebih buruk daripada nanorod ZnO murni karena batas kristal yang lebih besar, mobilitas pembawa yang lebih rendah, luas permukaan spesifik yang lebih kecil, dan rekombinasi elektron dan lubang yang lebih mudah. Kinerja fotokatalitik ZnO/Cu₂ O (pH 10, 20 min), ZnO/Cu₂ O (pH 10, 40 min), dan ZnO/Cu₂ O (pH 12, 20 min) hampir sama karena morfologi yang sama dan luas permukaan spesifik dari lapisan atas Cu₂ O, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b dan 3e dan f. Kinerja fotokatalitik dari tiga heterojungsi ZnO/Cu₂ O lebih rendah daripada nanorod ZnO murni karena luas permukaan spesifik yang lebih kecil dari lapisan atas Cu₂ O sebagai koneksi langsung ke solusi MO tetapi lebih tinggi dari Cu₂ Karena pengaruh heterojungsi ZnO dan Cu₂ O. Kinerja fotokatalitik Cu₂ Arsitektur O/ZnO adalah yang tertinggi di ZnO/Cu₂ Sistem O karena struktur heterojungsinya dan luas permukaan spesifik yang lebih besar dari lapisan atas ZnO. Dibandingkan dengan nanorod ZnO yang jarang pada Cu₂ O (pH 12, 20 min) dan terlalu banyak nanorod ZnO besar pada Cu₂ O (pH 10, 40 min), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO memiliki kinerja fotokatalitik terbaik di antara ketiga Cu₂ Arsitektur O/ZnO sebagai hasil dari struktur nano ZnO sempurna yang ditumbuhkan pada Cu₂ O (pH 10, 20 min), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d dan 3c dan d. Pengaruh pada pH reaksi, waktu reaksi, dan orientasi heterojungsi dibahas, dan sebagai kesimpulan, waktu reaksi memiliki sedikit pengaruh pada kinerja fotokatalitik dalam ZnO/Cu₂ sistem. Singkatnya, di ZnO/Cu₂ O sistem, Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO memiliki kinerja fotokatalitik terbaik.

Perubahan konsentrasi MO dengan katalis ZnO, CuSCN (3D), CuSCN (NWs), ZnO/CuSCN (3D), ZnO/CuSCN (NWs), CuSCN (3D)/ZnO, dan CuSCN (NWs)/ZnO adalah ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S6(b). Kinerja fotokatalitik CuSCN murni lebih buruk daripada nanorod ZnO murni karena luas permukaan spesifik yang lebih kecil, mobilitas pembawa yang lebih rendah, dan rekombinasi elektron dan lubang yang lebih mudah. Kinerja fotokatalitik CuSCN (NWs) lebih baik daripada CuSCN (3D) karena luas permukaan spesifik yang lebih besar dari struktur nano CuSCN, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e dan f. Kinerja fotokatalitik CuSCN (3D)/ZnO dan CuSCN (NWs)/ZnO lebih baik daripada ZnO karena struktur heterojungsinya dan luas permukaan spesifik yang lebih besar. CuSCN (NWs)/ZnO memiliki kinerja fotokatalitik yang lebih baik daripada CuSCN (3D)/ZnO karena nanorod ZnO yang lebih kecil dan terdistribusi lebih baik yang tumbuh pada struktur nano CuSCN dan akibatnya luas permukaan spesifik yang lebih besar. Pada sistem ZnO/CuSCN, arsitektur ZnO/CuSCN memiliki kinerja fotokatalitik terbaik di antara ZnO, CuSCN, ZnO/CuSCN, dan CuSCN/ZnO sebagai akibat dari struktur heterojunction, luas permukaan spesifik yang lebih besar dari material atas heterojunction, dan area kontak yang lebih besar dengan larutan MO. Nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (3D) sebagian tergores oleh larutan reaksi CuSCN dengan pH erosif, dan nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (NWs) terutama tergores oleh larutan reaksi CuSCN dengan pH 1,5 hanya mempertahankan garis besar dan sangat sedikit sisa nanorod ZnO seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b dan File tambahan 1:Gambar S3(a, b). Meskipun nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (3D) sebagian tergores, interspace di antara nanorod menjadi lebih besar daripada di antara nanorod ZnO murni dengan luas permukaan spesifik yang lebih besar dan lebih jelas dan lebih rapi daripada nanorod ZnO di bawah struktur CuSCN (NWs). dengan penggoresan yang hampir sempurna. Sehingga kinerja fotokatalitik ZnO/CuSCN (3D) lebih baik dibandingkan dengan ZnO/CuSCN (NWs). Pengaruh morfologi nanostruktur dan orientasi heterojunction dibahas, dan keduanya dapat mempengaruhi kinerja fotokatalitik dalam sistem ZnO/CuSCN. Singkatnya, ZnO/CuSCN (3D) memiliki kinerja fotokatalitik terbaik dalam sistem ZnO/CuSCN.

File tambahan 1:Gambar S6(c) menunjukkan perubahan konsentrasi MO dengan ZnO, NiO (1 min), NiO (10 min), ZnO/NiO (1 min), ZnO/NiO (10 min), NiO (1 min )/ZnO, dan NiO (10 min)/ZnO sebagai katalis. Kinerja fotokatalitik NiO murni (10 min) lebih buruk daripada nanorod ZnO murni karena struktur nano yang lebih besar, luas permukaan spesifik yang lebih kecil, mobilitas pembawa yang lebih rendah, dan rekombinasi elektron dan lubang yang lebih mudah. Kinerja fotokatalitik NiO (1 min) lebih baik daripada NiO (10 min) dan ZnO karena luas permukaan spesifik yang jauh lebih besar dari struktur nano NiO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e dan f. Kinerja fotokatalitik NiO (10 min)/ZnO lebih buruk daripada ZnO karena struktur nano yang lebih besar dari lapisan atas NiO (10 min) dan luas permukaan spesifik yang lebih kecil. As shown in Fig. 5c, ZnO nanorods are partially exposed growing through the meshwork of NiO (1 min) and the remnant part of the ZnO nanorods are remained in the meshwork. NiO (1 min) nanostructures are the multi-layer interspersed meshwork uniformly distributed on the ITO glass with much higher specific surface area, as shown in Fig. 5e. So, NiO (1 min)/ZnO has a little better photocatalytic performance than ZnO and a lower photocatalytic action than NiO (1 min). The photocatalytic performance of ZnO/NiO (1 min) and ZnO/NiO (10 min) is better than others due to their heterojunction structure and larger specific surface area. ZnO/NiO(1 min) architecture has the best photocatalytic performance in the ZnO/NiO system as a result of the heterojunction structure, extremely higher specific surface area of the upper material in the heterojunction, and the consequent larger contact area with the MO solution. The influence on reaction time and orientation of the heterojunction are discussed and both will give an effect on the photocatalytic performance in the ZnO/NiO system. In summary, ZnO/NiO (1 min) has the best photocatalytic performance in the ZnO/NiO system.

Figure 6a and b show the concentration changes of MO and the UV-vis absorption spectra of MO aqueous solution with ZnO, Cu₂ O (pH 10, 20 min), CuSCN (3D), NiO (1 min), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO, ZnO/CuSCN (3D), and ZnO/NiO (1 min) as the catalysts. Among the four semiconductor nanostructures ZnO, Cu₂ O (pH 10, 20 min), CuSCN (3D), and NiO (1 min), NiO has the most excellent photocatalytic performance owing to the multi-layer interspersed meshwork uniformly distributed and the consequent extremely higher specific surface area. ZnO has the bigger mobility and bigger specific surface area than Cu₂ O and CuSCN so that ZnO has the better photocatalytic performance. Cu₂ O has the better photocatalytic performance than CuSCN due to the bigger specific surface area. ZnO/NiO (1 min) heterostructure has the most excellent photocatalytic performance among all the heterostructures based on n-type ZnO and p-type Cu₂ O, CuSCN, and NiO. It is owing to more charge transfer caused by heterojunction structure, more photo-generated carrier as a result of higher specific surface area caused by the meshwork nanostructure of the upper NiO directly contacting to MO, and less carrier recombination caused by more compact contact of NiO/ZnO than Cu₂ O/ZnO and CuSCN/ZnO, as shown in Additional file 1:Figure S2(c), Figure S3(a), and Figure S4(a). In summary, NiO is the most suitable material for photocatalytic degradation of MO among the four semiconductor nanostructures of ZnO, Cu₂ O, CuSCN, and NiO. The photocatalytic performance of the semiconductor can be affected both by the mobility and the specific surface caused by the nanostructure. ZnO/NiO (1 min) heterostructure has the most excellent photocatalytic performance among all the architectures based on ZnO, Cu₂ O, CuSCN, and NiO. Influencing factor on the photocatalytic performance of all these architectures can be summarized as the inherent mobility of the material, the heterojunction architecture, and the morphology of nanostructure. The scheme of the photocatalysis mechanism using heterostructure photocatalyst is shown in Additional file 1:Figure S7. The mechanisms for improved photocatalytic properties are demonstrated in Additional file 1. To further assess the photocatalytic activity, we have compared the degradation ability of our best heterojunction in every system with other nanohybrids in Table 2. Compared with other catalysts, ZnO/NiO (1 min) demonstrated the best photocatalytic performance.

a The relative concentration (C_t /C₀ ) of MO versus time under light irradiation in the absence and presence of various photocatalysts:ZnO, Cu₂ O (pH 10, 20 min), CuSCN (3D), NiO (1 min), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO, ZnO/CuSCN (3D), and ZnO/NiO(1 min); b The UV-vis absorption spectra of MO aqueous solution with different photocatalysts:ZnO, Cu₂ O (pH 10, 20 min), CuSCN (3D), NiO (1 min), Cu₂ O (pH 10, 20 min)/ZnO, ZnO/CuSCN (3D), and ZnO/NiO(1 min)