Sintesis Bertahap Bunga Nano Au@CdS-CdS dan Sifat Fotokatalitiknya yang Ditingkatkan
Abstrak
Pembuatan struktur nano hibrida dengan morfologi kompleks dan aktivitas fotokatalitik tinggi merupakan tantangan yang sulit karena partikel-partikel ini memerlukan keterampilan preparasi yang sangat tinggi dan tidak selalu praktis. Di sini, nanopartikel Au@CdS-CdS seperti bunga hierarkis (nanoflower Au@CdS-CdS) telah disintesis menggunakan metode bertahap. Bunga nano Au@CdS-CdS terdiri dari inti Au, cangkang CdS, dan nanorod CdS. Rentang penyerapan UV-Vis dari bunga nano Au@CdS-CdS mencapai hingga 850 nm yang mencakup seluruh rentang yang terlihat (400–760 nm). Properti transfer muatan yang diinduksi foto dari bunga nano Au @ CdS-CdS ditunjukkan menggunakan spektroskopi photoluminescence (PL). Dibandingkan dengan rekan-rekan CdS dan rekan-rekan Au@CdS, bunga nano Au@CdS-CdS menunjukkan tingkat degradasi fotokatalitik tertinggi di bawah iradiasi masing-masing = 400–780 nm dan = 600–780 nm. Berdasarkan analisis struktur dan morfologi, kami telah mengusulkan kemungkinan mekanisme pembentukan struktur nano hibrida yang dapat digunakan untuk memandu desain struktur nano logam-semikonduktor lainnya dengan morfologi kompleks.
Pengantar
Energi surya saat ini diakui sebagai sumber energi yang paling bersih dan melimpah. Konversi energi matahari menjadi bentuk energi lain menggunakan fotokatalis semikonduktor telah dianggap sebagai cara yang ideal untuk mengatasi krisis energi dan pencemaran lingkungan [1, 2]. Untuk memanfaatkan sepenuhnya energi matahari, banyak fotokatalis berbasis semikonduktor telah dirancang dan dikembangkan [3, 4]. Diantaranya, CdS, dengan celah pita yang sesuai sekitar 2,4 eV untuk penyerapan cahaya tampak yang efektif dari sinar matahari, adalah salah satu dari sedikit fotokatalis yang digerakkan oleh cahaya tampak [5]. Namun, tingkat rekombinasi pembawa muatan yang tinggi dan fotokorosi secara serius menghambat efisiensi fotokatalitik CdS.
Dalam beberapa tahun terakhir, struktur nano hibrida telah menarik perhatian luas karena sifat fisikokimia mereka [6,7,8,9]. Dibandingkan dengan komponen individu yang sesuai, struktur nano hibrida berbasis CdS menunjukkan kinerja yang lebih baik dalam aplikasi tertentu karena rentang penyerapan cahaya yang ditingkatkan dan peningkatan pemisahan muatan. Yu dkk. telah membangun sulfida terner unik -[ZnS-CdS-Cu2-x S]-ZnS- heteronanorod yang menunjukkan daerah penyerapan yang diperluas dan pemisahan muatan yang efisien, yang mengarah pada peningkatan kinerja dalam konversi energi matahari [10]. Xu dkk. telah mensintesis CdS@TiO berbentuk bola dan batang2 inti-shell nanopartikel (CSNs) yang menunjukkan kinerja fotokatalitik yang sangat baik untuk reaksi redoks selektif di bawah iradiasi cahaya tampak [11, 12]. Skema Z di CdS-Au-TiO2 sistem nanojunction tiga komponen menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang lebih tinggi daripada sistem satu dan dua komponen, karena transfer elektron sepanjang rute yang dirancang [13]. Meskipun banyak struktur nano hybrid berbasis CdS telah disintesis, sintesis terkontrol dari struktur nano hybrid dengan komponen, struktur, dan fase kristal yang diinginkan tetap menjadi tantangan penting.
Sebagai cabang penting dari struktur nano hibrida, struktur nano logam-semikonduktor telah dipelajari secara luas sebagai jenis baru bahan fungsional lanjutan [14,15,16,17,18,19]. Di antara mereka, struktur nano hibrida Au-CdS telah menarik perhatian yang meningkat karena interaksi antara plasmon dan eksiton. Struktur nano plasmonik memiliki kemampuan yang signifikan untuk memusatkan energi cahaya pada skala nano, yang berasal dari sifatnya sebagai osilasi kolektif elektron permukaan logam dengan cahaya datang pada frekuensi yang sesuai [20]. Ketika logam dihibridisasi dengan semikonduktor, kemampuan pengelolaan cahaya skala nano seperti plasmonik dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan efisiensi fotoeksitasi dalam semikonduktor [21]. Dalam penelitian nanosains, merancang struktur nano yang kompleks dengan mengendalikan ukuran dan bentuk nanocrystals sangat penting untuk mengeksplorasi sifat baru mereka [22,23,24,25]. Sejauh ini, berbagai bentuk struktur nano hibrida Au-CdS telah disiapkan dan diterapkan pada komponen optik, sensor, fotovoltaik, dan perangkat fotokatalitik [26,27,28,29,30]. Namun, struktur hierarki 3D nanokomposit Au-CdS dengan morfologi yang terdefinisi dengan baik jarang dilaporkan. Sintesis nanokomposit kompleks merupakan tantangan yang sangat sulit karena nanopartikel ini membutuhkan keterampilan persiapan yang sangat tinggi dan tidak selalu praktis.
Di sini, kami membangun nanopartikel Au@CdS-CdS seperti bunga (nanoflower Au@CdS-CdS) melalui strategi sintesis bertahap. Yang memiliki heterostruktur hierarkis yang dibangun oleh pertumbuhan epitaxial nanorods CdS 1D pada permukaan Au@CdS CSNs dan struktur heterogen antara Au dan CdS. Bunga nano Au@CdS-CdS yang disintesis menunjukkan wilayah penyerapan yang diperluas yang mencapai hingga 850 nm dan mencakup seluruh rentang yang terlihat. Bunga nano Au@CdS-CdS menunjukkan peningkatan aktivitas fotokatalitik dibandingkan dengan Au@CdS CSNs dan rekan-rekan CdS di bawah iradiasi yang terlihat. Berdasarkan ukuran, morfologi, dan strukturnya, kami telah mengusulkan mekanisme pertumbuhan yang layak, yang mungkin berguna bagi para peneliti di berbagai bidang seperti kedokteran, energi, dan elektronik yang sering merancang nanopartikel kompleks yang diprediksi memiliki fungsi berguna.
Metode
Sintesis Bunga Nano Au@CdS-CdS
Semua bahan kimia yang diterima dari Aladdin adalah reagen kelas analitik dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Koloid Au dengan diameter rata-rata 50 nm disintesis dengan metode tradisional Frens [31] dan Au@CdS CSN dibuat menggunakan metode hidrotermal yang dipublikasikan [32]. Biasanya, larutan berair l-sistein (Cys, 99%) dicampur dengan kadmium nitrat tetrahidrat (99%) dalam rasio 2:1 M dari Cys terhadap Cd
2+
. 2 mL l-sistein-Cd
2+
(Cys/Cd
2+
) campuran ditambahkan ke dalam 10 mL koloid Au dan diaduk selama 15 menit, kemudian diperoleh Au-(Cys/Cd
2+
) diencerkan hingga 50 mL dengan air dan dipindahkan ke dalam autoklaf baja tahan karat berlapis Teflon (kapasitas 100 mL). Setelah disegel, autoklaf dipanaskan dan dipertahankan pada suhu 130 °C selama 6 jam. Untuk melapisi cangkang CdS yang tebal pada nanopartikel Au, 10 mL Cys/Cd
2+
campuran ditambahkan ke dalam koloid Au (10 mL) dengan kondisi reaksi lainnya tidak berubah.
Bunga nano Au@CdS-CdS kemudian disintesis sebagai berikut:koloid Au@CdS CSN yang dihasilkan (10 mL), 1 mL dari 10 mM Cys/Cd
2+
campuran dan 20 mL etilendiamin (En,> 99%) dicampur dan diaduk selama 15 menit, lalu dipindahkan ke dalam autoklaf baja tahan karat berlapis Teflon (kapasitas 50 mL). Autoklaf yang disegel dipanaskan hingga 180 °C dan dipertahankan pada suhu ini selama 10 jam, lalu dibiarkan dingin hingga suhu kamar. Produk dikumpulkan dan dicuci dengan air suling dan etanol beberapa kali untuk menghilangkan ion dan kotoran yang tersisa.
Rekanan CdS disintesis sebagai berikut:4 mL Cys/Cd
2+
campuran dan 20 mL air ditambahkan ke dalam reaktor dan diaduk selama 15 menit, kemudian ditutup rapat dan dipanaskan hingga 130 °C selama 6 jam. Produk didinginkan secara alami hingga suhu kamar dan dicuci dengan air suling dan etanol beberapa kali. Terakhir, sampel didispersikan dalam etanol absolut.
Karakterisasi Material
Pengukuran difraksi sinar-X (XRD) sampel dilakukan pada difraktometer lanjutan Bruker D8 dan spektrum serapan UV-Vis diuji pada fotometer PerkinElmer Lambda 35. Gambar mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM) dan spektrometer sinar-X dispersif energi (EDS) diperoleh pada perangkat JSM-7001F. Model mikroskop elektron transmisi (TEM) adalah JEM-2010 dan tegangan operasinya adalah 200 kV. Gambar mikroskop elektron transmisi (HR-TEM) resolusi tinggi juga diuji pada JEM-2010 dengan tegangan operasi 200 kV. Spektrum fotoluminesensi (PL) diukur pada Perkin-Elmer LS-55 dengan panjang gelombang eksitasi 400 nm. Pengukuran arus foto (kurva i–t) dilakukan dalam sistem sel tiga elektroda konvensional dengan menggunakan stasiun elektrokimia CHI660C tanpa bias di bawah lampu busur Xe 300 W sebagai sumber cahaya. Kaca ITO yang telah dibersihkan yang dideposit dengan fotokatalis, serpihan Pt, dan elektroda Ag/AgCl masing-masing digunakan sebagai elektroda kerja, elektroda lawan, dan elektroda referensi. Tidak2 JADI4 (0,2 M) digunakan sebagai elektrolit.
Pengukuran Aktivitas Fotokatalitik
Sistem optik yang digunakan untuk reaksi fotokatalitik terdiri dari lampu xenon (300 W) dan dua filter bandpass (dengan lebar pita 400–780 nm dan 600–780 nm) yang memastikan penyinaran dalam rentang yang terlihat. Empat jenis fotokatalis termasuk nanopartikel Au, mitra CdS, tebal Au@CdS, dan bunga nano Au@CdS-CdS digunakan untuk mendegradasi larutan rhodamin 6G (R6G). Biasanya, 6 mg fotokatalis ditambahkan ke dalam 20 mL larutan R6G (1.0 × 10
−5
M) dan diaduk selama 30 menit dalam gelap untuk mencapai keseimbangan adsorpsi sebelum iradiasi. Eksperimen fotokatalitik dilakukan di bawah dua rentang iradiasi, masing-masing 400–780 nm dan 600–780 nm. Kemudian, larutan 2,5 mL diekstraksi setiap 10 menit dan disentrifugasi untuk menghilangkan fotokatalis. Spektrum serapan UV-Vis dari filtrat direkam menggunakan fotometer PerkinElmer Lambda 35 untuk memantau reaksi katalitik. Semua percobaan fotokatalisis dilakukan pada suhu kamar di udara. Degradasi R6G didefinisikan sebagai berikut:
Degradasi (%) = [(C0 -Ct ) / C0 ] × 100.
dimana C0 adalah konsentrasi awal R6G, Ct adalah konsentrasi R6G pada waktu tertentu setelah reaksi fotokatalitik.
Hasil dan Diskusi
Mekanisme Sintesis Bunga Nano
Proses sintesis bertahap untuk nanoflower Au@CdS-CdS digambarkan pada Gambar. 1. Pertama, nanopartikel Au disintesis dengan ukuran rata-rata sekitar 50 nm. Lapisan CdS diendapkan pada permukaan nanopartikel Au melalui reaksi hidrotermal untuk menghasilkan Au@CdS CSNs. Kemudian, nanorod CdS ditanam di permukaan Au@CdS CSNs melalui metode solvothermal campuran untuk menghasilkan struktur nano Au@CdS-CdS hierarkis. l-sistein dan etilendiamin memainkan peran penting dalam sintesis bunga nano Au@CdS-CdS. l-sistein, memiliki tiga gugus fungsi (SH, COOH, NH2 ), berfungsi baik sebagai sumber belerang dan agen penghubung untuk menebus ketidakcocokan kisi antara kristal Au dan CdS [32]. Fase kristal dapat dikontrol dengan memasukkan etilendiamin sebagai reagen pemandu struktur dalam pertumbuhan nanorod CdS [33]. Selain itu, sangat sulit bagi kami untuk mensintesis bunga nano Au@CdS-CdS dengan menambahkan koloid Au, Cys/Cd
2+
campuran, dan etilendiamin bersama-sama di bawah kondisi yang sama. Oleh karena itu, perantara Au@CdS CSNs diperlukan untuk sintesis bunga nano Au@CdS-CdS, karena permukaan cangkang CdS tidak mulus dan tonjolan ini menjadi “tempat pertumbuhan” untuk pertumbuhan epitaksial nanorod CdS.
Ilustrasi skematis proses sintesis bunga nano Au@CdS-CdS
Contoh Morfologi dan Struktur
Gambar SEM dari nanopartikel di setiap prosedur ditunjukkan pada Gambar. 2a-c. Nanopartikel Au menunjukkan bahwa mereka seragam dalam ukuran dan terdispersi dengan baik. Au@CdS CSNs ditunjukkan pada Gambar. 2b di mana nanopartikel Au atau CdS tunggal jarang diamati. Permukaan cangkang CdS bergerigi dan tonjolan dapat diamati pada gambar TEM sisipan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, nanocrystals Au@CdS-CdS disajikan sebagai nanopartikel seperti bunga yang terdefinisi dengan baik dengan dispersi yang baik. Gambar 2d menunjukkan gambar TEM dari CSN Au@CdS dengan cangkang CdS yang tebal (dilambangkan sebagai Au@CdS yang tebal). Gambar 2e menunjukkan gambar TEM bunga nano Au@CdS-CdS. Dapat dilihat bahwa nanorods CdS 1D adalah epitaxial yang ditumbuhkan pada permukaan Au@CdS CSNs. Diameter dan panjang nanorod CdS masing-masing sekitar 16 nm dan 40 nm. Gambar HR-TEM dari bunga nano Au@CdS-CdS ditunjukkan pada Gambar. 2f. Jarak kisi 0,34 nm dalam nanorod konsisten dengan bidang kristal (002) cdS wurtzite. Nanorods CdS yang disiapkan adalah kristal tunggal dengan arah pertumbuhan preferensial [001], sumbu-c [34]. Analisis EDS selanjutnya mengkonfirmasi komposisi unsur dari bunga nano Au@CdS-CdS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2g, yang menunjukkan adanya unsur Cd, S, dan Au. Nanocrystals CdS dengan ukuran seragam ditunjukkan pada Gambar. 2h. Selain itu, warna larutan koloid Au, Au@CdS tipis, bunga nano Au@CdS-CdS, rekan CdS, dan tebal Au@CdS masing-masing adalah anggur merah, ungu, hijau, kuning, dan hijau, ditunjukkan pada Gambar . 2i.
a , b , h Gambar SEM dari nanopartikel Au, Au@CdS dengan cangkang tipis, dan rekanan CdS, masing-masing. d Gambar TEM dari Au@CdS dengan cangkang tebal. c , e , f , g SEM, TEM, gambar HR-TEM, dan profil EDS dari bunga nano Au@CdS-CdS. saya Foto warna solusi mereka
Pola XRD sampel yang diperoleh dalam proses sintesis bunga nano Au@CdS-CdS ditunjukkan pada Gambar 3. Puncak XRD nanopartikel Au diamati dan puncak pada 2θ = 38.2, 44.2, dan 64,75 disebabkan oleh (111 ), (200), dan (220) bidang, masing-masing dari kristal fcc Au (JCPDS 04-0784). Untuk kristal CdS, puncak pada 2θ = 25, 26.5, 28.2, 43,8, 47,8, dan 51,9 disebabkan oleh bidang (100), (002), (101), (110), (103), dan (112) dari kristal CdS wurtzite (JCPDS 41-1049). Puncak difraksi kristal fcc Au dan wurtzite CdS masing-masing diamati dalam pola XRD dari Au@CdS CSNs dan Au@CdS-CdS nanoflowers. Perlu dicatat bahwa intensitas puncak difraksi dari bidang kristal (002) jauh lebih tinggi daripada puncak lainnya di nanocrystals Au@CdS-CdS. Hal ini menunjukkan bahwa puncak difraksi bidang kristal (002) menonjol dan nanorod CdS tumbuh sepanjang arah [001], yang sesuai dengan hasil HR-TEM.
Pola XRD dari Au, CdS, Au@CdS CSNs, dan bunga nano Au@CdS-CdS
Properti Optik Sampel
Sifat optik dari lima sampel dianalisis dengan pengukuran UV-Vis, seperti yang digambarkan pada Gambar 4. Posisi tepi pita koloid CdS kurang dari 500 nm. Koloid Au 50 nm menunjukkan penyerapan resonansi plasmon permukaan (SPR) yang berpusat pada 530 nm. Melapisi Au nanospheres dengan lapisan CdS tipis menghasilkan pergeseran merah puncak plasmon menjadi 568 nm. Dengan peningkatan ketebalan cangkang CdS, posisi SPR semakin bergeser ke merah menjadi 623 nm dan 635 nm masing-masing dalam tebal Au@CdS dan bunga nano Au@CdS-CdS. Hasil percobaan menunjukkan bahwa dengan bertambahnya ketebalan cangkang CdS, puncak serapan SPR nanopartikel Au menunjukkan pergeseran merah terus menerus, karena posisi SPR logam bergantung pada ukuran logam, bentuk, dan media sekitarnya. Fenomena serupa diamati di Au@SiO2 , Au@Cu2 O, dan Au-Fe3 O4 sistem struktur nano hibrida [35,36,37]. Posisi tepi pita bunga nano Au@CdS-CdS mencapai hingga 850 nm, yang dapat memanen wilayah sinar matahari yang terlihat dengan lebih baik (400–760 nm) untuk meningkatkan aktivitas fotokatalitik.
Spektrum serapan UV-Vis sampel:rekan CdS, nanopartikel Au, dan bunga nano Au@CdS CSNs dan Au@CdS-CdS, masing-masing
Properti Transfer Muatan Akibat Cahaya
Spektrum photoluminescence (PL) dari nanoflowers Au@CdS-CdS yang disintesis, Au@CdS CSNs, rekan-rekan CdS, dan koloid Au ditunjukkan pada Gambar 5a. Koloid emas memiliki puncak PL yang lemah pada ~ 600 nm. Spektrum PL dari rekan-rekan CdS menunjukkan pita emisi dominan pada 530 nm dan puncak bahu yang lebih kecil pada 598 nm. Pita pada 530 nm dapat dikaitkan dengan emisi pita-pita eksitonik khas CdS. Bahu pada 598 nm mungkin disebabkan oleh emisi yang terperangkap yang muncul dari cacat struktural pada kristal CdS. Namun, intensitas spektral PL dari struktur hibrida berkurang secara signifikan, dan emisi radiasi CdS dalam bunga nano Au@CdS-CdS lebih dipadamkan daripada di Au@CdS CSNs. Karena tingkat Fermi Au terletak di + 0,5 V relatif terhadap elektroda hidrogen ternormalisasi (NHE), itu lebih rendah dari tingkat pita konduksi CdS (− 1,0 V vs. NHE). Setelah CdS tereksitasi, elektron bebas pada pita konduksi akan dipindahkan ke inti Au karena adanya perbedaan energi [32, 38]. Mekanisme transfer muatan yang diinduksi foto menyebabkan penurunan probabilitas rekombinasi lubang elektron dan penekanan emisi eksiton dalam CdS. Probabilitas rekombinasi elektron dan lubang fotogenerasi lebih besar di Au@CdS CSNs, mungkin karena kandungan CdS yang tinggi. Struktur nano hibrida Au@CdS-CdS seperti bunga menyediakan platform penelitian yang ideal untuk mempelajari mekanisme transfer muatan yang diinduksi foto untuk heterojungsi logam-semikonduktor. Hasil respons arus foto transien yang diperoleh dari bunga nano Au@CdS-CdS, tebal Au@CdS, dan rekan-rekan CdS ditunjukkan pada Gambar. 5b. Sangat mudah untuk mengamati bahwa arus foto melalui Au@CdS-CdS sangat meningkat dibandingkan dengan rekan setebal Au@CdS dan CdS. Arus foto yang ditingkatkan pada nanokomposit Au@CdS-CdS menyiratkan pemisahan yang lebih efisien dari pasangan lubang elektron yang diinduksi foto dan masa pakai pembawa muatan yang dihasilkan fotogenerasi lebih lama dibandingkan dengan CdS kosong, yang bermanfaat untuk aktivitas fotokatalitiknya.
a Spektrum PL dari koloid Au, Au@CdS tebal, Au@CdS-CdS, dan rekan-rekan CdS, masing-masing. b Perbandingan respons arus foto sementara dari bunga nano Au@CdS-CdS, tebal Au@CdS, dan pasangan CdS yang disinari dengan cahaya tampak 400 nm dalam 0,2 M Na2 JADI4 larutan berair tanpa bias versus Ag/AgCl
Aplikasi Materi
Bunga nano Au@CdS-CdS telah meningkatkan kemampuan menjebak cahaya tampak dan sifat pemisahan muatan yang diinduksi foto, yang memiliki nilai potensial dalam aplikasi tertentu. Aktivitas fotokatalitik Au@CdS-CdS di bawah penyinaran 400–780 nm dideteksi dengan menggunakan pewarna Rhodamin 6G sebagai target fotodegradasi. Sebagai perbandingan, nanopartikel Au, rekanan CdS, dan ketebalan Au@CdS juga diuji dalam kondisi yang sama. Gambar 6a adalah spektrum serapan UV-Vis dari larutan R6G pada waktu iradiasi yang berbeda dengan menggunakan bunga nano Au@CdS-CdS. Intensitas puncak absorpsi larutan R6G menurun dengan cepat dengan waktu iluminasi, dan karakteristik puncak absorpsinya juga bergeser dari 528 nm menjadi 507 nm. Setelah 40 menit, konsentrasi R6G hampir tidak berubah, menunjukkan bahwa reaksi degradasi telah selesai. Gambar 6b menunjukkan perubahan normal dari konsentrasi larutan R6G dengan nanopartikel Au, rekanan CdS, dan tebal Au@CdS serta nanoflower Au@CdS-CdS. Tanpa katalis, perubahan konsentrasi R6G dapat diabaikan. Di antara katalis, laju fotodegradasi bunga nano Au@CdS-CdS secara signifikan lebih cepat daripada bahan lainnya. Setelah 40 menit, 86% larutan R6G terdegradasi dalam sistem nanoflowers Au@CdS-CdS, sedangkan hanya 71%, 46%, dan 12% dari larutan R6G yang terdegradasi dalam ketebalan Au@CdS, rekanan CdS, dan Sistem nanopartikel Au, masing-masing.
a Spektrum serapan larutan R6G pada waktu penyinaran yang berbeda dengan menggunakan nanoflower Au@CdS-CdS sebagai fotokatalis pada penyinaran 400–780 nm. bCt /C0 versus plot waktu iradiasi untuk fotodegradasi R6G dengan adanya fotokatalis yang berbeda
Seperti yang terlihat pada Gambar. 6b, struktur nano hibrida menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang unggul dibandingkan dengan komponen tunggal yang sesuai. Menanamkan nanocrystals logam plasmonic dalam struktur nano semikonduktor sangat meningkatkan kinerja fotokatalitik yang terakhir melalui LSPR dari yang pertama [39, 40]. Cahaya nanopartikel emas yang terkonsentrasi dan tersebar berkontribusi untuk meningkatkan penyerapan cahaya CdS, yang menghasilkan lebih banyak eksiton. Heterojungsi antara Au dan CdS akan mendorong pemisahan dan transfer muatan. Selain itu, laju fotokatalitik bunga nano Au@CdS-CdS jelas lebih tinggi daripada ketebalan Au@CdS, meskipun mereka memiliki ukuran yang sama dan rentang penyerapan spektral yang serupa. Ini mungkin terkait dengan morfologi khusus bunga nano Au@CdS-CdS yang memiliki luas permukaan spesifik lebih besar yang berarti dapat menyediakan lebih banyak situs reaksi. Pada massa yang sama, luas permukaan bunga nano lebih dari 4,67 kali lipat dari nanosfer. Perhitungan mendetail ditampilkan di File tambahan 1. Oleh karena itu, bunga nano Au@CdS-CdS memiliki aktivitas fotokatalitik yang sangat baik di antara semua sampel.
Ada beberapa mekanisme utama seperti mekanisme medan dekat, hamburan cahaya, dan injeksi elektron panas yang dapat dijelaskan untuk reaksi fotokatalitik yang ditingkatkan plasmon. Untuk menguji rentang penyerapan yang diperluas dari bunga nano Au@CdS-CdS apakah meningkatkan aktivitas fotokatalitik atau tidak, kami melakukan tes fotokatalitik di bawah penerangan = 600–780 nm. Gambar 7a menunjukkan penyerapan UV-Vis dari R6G yang didegradasi oleh bunga nano Au@CdS-CdS di bawah penerangan = 600–780 nm. Aktivitas fotokatalitik untuk mendegradasi R6G oleh empat fotokatalis ditunjukkan pada Gambar 7b. Setelah iradiasi 60 menit, degradasi nanopartikel Au, rekan CdS, tebal Au@CdS, dan bunga nano Au@CdS-CdS masing-masing adalah 9,8%, 15%, 34%, dan 45%. Laju fotodegradasi dalam sistem struktur nano hibrida lebih cepat daripada kristal komponen tunggal. Aktivitas fotokatalitik dari struktur nano hibrida ditingkatkan dengan rentang penyerapan yang diperluas karena CdS tidak tereksitasi ketika cahaya datang di atas 516 nm. Sedangkan puncak serapan SPR dari nanopartikel Au pada nanoflower Au@CdS-CdS adalah sekitar 650 nm. Di bawah iluminasi 600–780 nm, elektron panas dihasilkan dari Au dan akan ditransfer ke pita konduksi CdS selama relaksasi [41, 42]. Untuk mengevaluasi lebih lanjut daya tahan dan penggunaan kembali fotokatalis ini, sampel yang sama disentrifugasi dan didispersikan kembali dalam 20 mL H2 O berisi 10
−5
M R6G untuk beberapa tes bersepeda. Gambar 8a menunjukkan bahwa efisiensi fotodegradasi R6G hampir tidak berubah selama tiga siklus pengujian berturut-turut, menunjukkan stabilitas tinggi struktur nano Au@CdS-CdS.
a Spektrum serapan larutan R6G pada waktu penyinaran yang berbeda dengan menggunakan nanoflower Au@CdS-CdS sebagai fotokatalis pada penyinaran 600–780 nm. bCt /C0 versus plot waktu iradiasi untuk fotodegradasi R6G dengan adanya fotokatalis yang berbeda
a Siklus berjalan untuk degradasi fotokatalitik pewarna R6G di atas bunga nano Au@CdS-CdS di bawah iradiasi cahaya tampak (400–780 nm). b Dua mekanisme pemisahan muatan untuk bunga nano Au@CdS-CdS di bawah penyinaran 400–780 nm dan 600–780 nm, masing-masing
Baik plasmonic Au dan semikonduktor celah pita sempit CdS sensitif terhadap cahaya tampak dalam struktur nano Au-CdS. Dengan demikian, dua mekanisme pemisahan dan transfer muatan yang diinduksi foto yang berbeda dalam bunga nano Au@CdS-CdS diharapkan ada tergantung pada energi eksitasi yang terjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b. Untuk kasus tertentu, jika hanya CdS yang tereksitasi, elektron akan dipindahkan dari pita konduksi CdS ke Au. Demikian pula, jika hanya Au yang tereksitasi, maka elektron akan melompat dari keadaan plasmon permukaan Au ke pita konduksi CdS. Tetapi kasusnya menjadi lebih rumit ketika Au dan CdS bersemangat bersama. Pemindahan elektron dalam kedua cara dimungkinkan, meskipun yang lebih mungkin adalah transfer dari semikonduktor ke logam [43,44,45]. Peningkatan probabilitas untuk pemisahan muatan akan meningkatkan aktivitas fotokatalitik dari struktur nano hibrida logam-semikonduktor, karena elektron dan lubang yang terpisah akan memiliki probabilitas tinggi untuk berpartisipasi dalam reaksi katalitik. Biasanya lubang tersebut dapat mengoksidasi kontaminan organik atau molekul air untuk membentuk
·
OH, dan pada saat yang sama, elektron fotogenerasi mudah ditangkap oleh zat pengoksidasi atau zat aktif lainnya untuk menghasilkan O2
·-
. O2
·-
dan
·
OH memiliki efisiensi oksidasi yang tinggi dan aktivitas kimia yang sangat baik, yang dapat mengoksidasi sebagian besar pewarna organik. Sintesis bunga nano Au@CdS-CdS hierarki akan memberikan perspektif baru untuk desain rasional dan sintesis terkontrol struktur nano hibrida dengan sifat fotokatalitik tinggi.
Kesimpulan
Bunga nano Au@CdS-CdS hierarkis berhasil disiapkan dengan metode bertahap. Dalam nanohybrid yang diperoleh, nanorod CdS ditumbuhkan epitaxial pada permukaan Au@CdS CSNs. Bunga nano Au@CdS-CdS menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang sangat baik terhadap degradasi R6G di bawah iradiasi masing-masing = 400–780 nm dan = 600–780 nm. Bunga nano Au@CdS-CdS hierarkis memiliki tiga keunggulan:pertama, struktur heterostruktur meningkatkan pemisahan dan transfer pasangan lubang elektron yang dihasilkan melalui foto; kedua, struktur hierarki menyediakan lebih banyak tempat reaksi; dan ketiga, rentang penyerapan yang diperluas meningkatkan kemampuan menangkap cahaya. Selanjutnya, kami mengusulkan mekanisme yang mungkin untuk sintesis bertahap bunga nano Au@CdS-CdS, yang dapat digunakan untuk menyiapkan nanohibrida semikonduktor logam lainnya dengan morfologi kompleks untuk energi bersih masa depan dan bidang restorasi lingkungan.
