Produksi Hidrogen Surya yang Dipicu Cahaya Visibel dengan Oksida Timah Tinis Biaya Efektif

Abstrak

Oksida timah tinis yang merespons cahaya visibel dihasilkan melalui rute solvothermal satu-kotak sederhana menggunakan SnCl₂·2H₂O dan metanol. Difraksi X mengonfirmasi fase SnO₂ yang kristal rendah, sementara spektroskopi UV–vis mengungkapkan tepi serapan di sekitar 530 nm, mengindikasikan aktivitas cahaya visibel yang kuat. Dalam tes fotoelektrokimia pada elektroda FTO, material menghasilkan fotokauran anoda yang signifikan di bawah iluminasi λ > 420 nm dan menghasilkan hidrogen (dengan metanol sebagai donatur elektron) dan oksigen (dengan AgNO₃ sebagai penerima elektron) tanpa perlu katalis tambahan. Performa cahaya visibel yang ditingkatkan disebabkan oleh self-doping Sn²⁺ ke dalam jaringan Sn⁴⁺, yang menciptakan level energi menengah yang menyempitkan jarak band efektif.

Pendahuluan

Memanfaatkan energi surya untuk memecah air dan menghasilkan hidrogen bersih adalah salah satu sumbu strategi energi terbaru. Pembelah air fotokatalitik dan fotoelektrokimia menawarkan jalur yang berkelanjutan sumber daya, ramah lingkungan, dan hemat biaya dibandingkan proses termokimia konvensional. Tantangannya adalah merangka semiconductor fotokatalis dengan jarak band yang menyerap sebagian besar spektrum surya, tepi band yang selaras untuk oksidasi dan reduksi air, hasil kuantum yang tinggi, dan stabilitas jangka panjang.

Sementara oksida biner seperti TiO₂, ZnO, dan Fe₂O₃ telah banyak dipelajari, jarak band yang luas mereka membatasi pemanfaatan cahaya visibel. Oksida terner (misalnya, SrTiO₃, NaTaO₃) dan sistem oksinitrid atau sulfida kompleks telah menunjukkan performa yang lebih baik, namun banyak yang masih gagal memenuhi semua kriteria secara bersamaan. SnO₂, semiconductor tipe-n yang terkenal dengan jarak band 3,6–3,8 eV, biasanya memerlukan pemasangan dengan material lain untuk meningkatkan respons cahaya visibel.

Di sini kami melaporkan sintesis solvothermal satu-kotak yang mudah dari SnO₂‑x yang menunjukkan aktivitas fotokatalitik cahaya visibel intrinsik dan performa pembelah air fotoelektrokimia tanpa perlu pembuatan komposit atau pemuatan katalis tambahan.

Metode

Reagen

Semua reagen adalah grade analisis dan digunakan sebagaimana adanya. Air deion (18,25 MΩ·cm) digunakan sebagai pelarut untuk persiapan elektroda dan pengukuran fotokatalitik.

Persiapan Bubuk SnO₂‑x

SnCl₂·2H₂O (0,02 mol) dilarutkan dalam 100 mL metanol dan diaduk selama 30 menit. pH larutan disesuaikan dari 1,0 menjadi 3,0 menggunakan 0,02 mol L⁻¹ NH₃·H₂O, menghasilkan endapan putih. Setelah 2 jam pengadukan, campuran dipindahkan ke autoklav Teflon 200 mL dan dipanaskan pada 423 K selama 20 jam. Lumpur kuning yang dihasilkan dicuci dengan air dan etanol, kemudian dikeringkan pada 343 K selama 12 jam untuk mendapatkan bubuk target.

Persiapan Elektroda SnO₂‑x

Depositori elektroforetik pada kaca fluor-dop timah tinis (FTO) menghasilkan tipis-tipis pori (~2 mm tebal). Kolam deposisi berisi 40 mg bubuk yang disintesis dan 15 mg iodin dalam 40 mL aseton, diredam ultrasonik selama 3 menit. Area yang dilapisi adalah ~1,5 × 4 cm.

Evaluasi Fotokatalitik

Pengukuran fotoelektrokimia menggunakan setup tiga elektroda: elektroda yang disiapkan sebagai kerja, jaringan Pt sebagai lawan, dan Ag/AgCl sebagai referensi. Elektrolit adalah 0,1 M Na₂SO₄ (pH 4,05), diflush dengan Ar selama 10 menit. Iluminasi berasal dari lampu Xe 300 W difilter dengan filter Hoya L‑42 (λ < 420 nm diblokir).

Pembangkitan hidrogen dan oksigen fotokatalitik diukur dalam reaktor Pyrex iradiasi sisi dengan sistem sirkulasi gas tertutup. 0,2 g bubuk didisperapkan dalam 200 mL larutan, diiluminasi oleh lampu Xe yang sama, dan gas yang dihasilkan dianalisis oleh kromatografi gas TCD menggunakan Ar sebagai pembawa.

Karakterisasi

Difraksi bubuk X (Cu Kα), mikroskopi elektron pemindai (SEM), mikroskopi transmisi elektron (TEM), TEM resolusi tinggi (HRTEM), analisis luas permukaan Brunauer–Emmett–Teller (BET), serapan UV–vis difleksi, dan spektroskopi fotoelektron X (XPS) digunakan untuk menyelidiki struktur, morfologi, luas permukaan, sifat optik, dan status unsur.

Hasil dan Pembahasan

XRD mengonfirmasi fase SnO₂ yang kristal rendah (JCPDS #72‑1147). Spektrum UV–vis menunjukkan tepi serapan di sekitar 570 nm, sesuai dengan jarak band 2,17 eV, mengungkapkan serapan cahaya visibel yang signifikan.

Saat precursor adalah SnCl₂·2H₂O dalam metanol dan pH disesuaikan ke 3,0, material yang dihasilkan menampilkan fase SnO₂‑x yang diinginkan. Analisis XPS mengungkapkan pergeseran kecil (~0,2 eV) dalam energi ikatan Sn 3d, yang mengindikasikan penyerapan Sn²⁺ ke dalam jaringan Sn⁴⁺. Dekomposisi puncak Sn 3d₅/₂ memisahkan kontribusi dari Sn⁴⁺ (486,8 eV) dan Sn²⁺ (485,8 eV), mengonfirmasi self-doping dan pembentukan kosongan oksigen. Puncak O 1s juga bergeser oleh ~0,2 eV, mendukung keberadaan kosongan yang meningkatkan serapan cahaya visibel.

Citra SEM dan TEM menunjukkan partikel bola seragam (~1–2 µm) dengan luas permukaan BET sekitar 100 m² g⁻¹. HRTEM mengungkapkan tepi jaringan dengan jarak 0,33 nm, sesuai dengan bidang (110) kasiterit SnO₂.

Tes fotoelektrokimia mengungkapkan fotokauran anoda yang signifikan di bawah iluminasi λ > 420 nm, dengan potensi awal di bawah 0 V versus RHE, yang menunjukkan bahwa konduksi band terletak di atas potensi reduksi H⁺/H₂ dan memungkinkan pembelah air tanpa bias. Eksperimen pembangunan hidrogen dan oksigen mengonfirmasi bahwa material dapat memecah air di bawah cahaya visibel tanpa katalis tambahan; pemuatan 1 wt.% Pt melalui fotodeposisi in situ lebih meningkatkan laju.

Aktivitas cahaya visibel disebabkan oleh penciptaan status menengah di antara orbital Sn 5s dari Sn²⁺ dan orbital O 2p, yang secara efektif menyempitkan jarak band. Namun, fotokauran menurun setelah iluminasi yang lama, kemungkinan karena oksidasi Sn²⁺ menjadi Sn⁴⁺, yang mengindikasikan tantangan stabilitas yang harus diatasi oleh pekerjaan di masa depan.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan sintesis SnO₂‑x yang dapat diskalakan dan hemat biaya yang menunjukkan kinerja pembelah air fotokatalitik dan fotoelektrokimia cahaya visibel intrinsik. Aktivitas ini berasal dari self-doping Sn²⁺ dan kosongan oksigen yang dihasilkan, yang memperkenalkan status bawah jarak band. Sementara material ini menunjukkan janji untuk pembuatan hidrogen surya, optimasi lebih lanjut dari stabilitas dan aktivitas sedang berlangsung.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel ini yang diterbitkan.