Pembelah Air Fotoelektrokimia yang Ditingkatkan dengan Array Nanosheet TiO₂, SnS₂ Bertingkat, dan Nanopartikel CoOₓ

Abstrak

Mengubah energi surya menjadi bahan bakar hidrogen melalui pembelah air fotoelektrokimia (PEC) menawarkan solusi berkelanjutan bagi tantangan energi dan lingkungan global. Nanomaterial TiO₂ konvensional menderita penyerapan cahaya terlihat yang terbatas dan rekombinasi elektron-lubang yang cepat. Di sini, kami secara rasional merancang fotoanoda array nanosheet TiO₂ yang dihiasi dengan pengabsor SnS₂ bertingkat dan nanopartikel CoOₓ. Arsitektur hibrid ini memberikan peningkatan 3,6 kali efisiensi konversi foto (0,44 persen) dibandingkan nanosheet TiO₂ polos dan peningkatan 2,0 kali dibanding TiO₂/SnS₂ alone. CoOₓ tidak hanya berfungsi sebagai katalis oksidasi air yang efisien tetapi juga melindungi pengabsor dari fotokorosi, menghasilkan stabilitas jangka panjang yang unggul. Studi ini menunjukkan jalan yang layak menuju perangkat PEC yang berkinerja tinggi dan tahan lama.

Latar Belakang

Produksi hidrogen yang didorong oleh surya melalui pembelah air PEC adalah teknologi kunci untuk energi bersih. TiO₂ menarik karena ketahanan kimiawi, tepi energi yang menguntungkan, dan komposisi yang melimpah di bumi, namun jarak energi yang lebar (~3,2 eV) membatasi penyerapan pada area UV, dan laju rekombinasi yang tinggi lebih mengurangi kinerja. Array nanosheet TiO₂ dua dimensi (2D) dengan faset {001} yang terpapar menyediakan jalur transportasi elektron yang pendek dan pemisahan muatan yang ditingkatkan. Namun, efisiensi praktis mereka masih terbatas oleh penyerapan cahaya yang sempit dan rekombinasi permukaan. Strategi untuk memperluas respon spektral termasuk doping ion, coupling plasmonik, dan pembentukan heterojuntung dengan semiconductor jarak energi sempit. SnS₂ (jarak energi ~2,4 eV) menawarkan penyerapan cahaya terlihat yang kuat dan penyejajaran energi yang cocok untuk transfer muatan tipe-II dengan TiO₂. Selain itu, oksida berbasis kobalt (CoOₓ) berfungsi sebagai katalis oksidasi air yang kuat, menurunkan overpotensial dan mencegah fotokorosi.

Metode

Bahan dan Reagen

Tetrabutil titanat, ammonium heksafluoritanat, klorida tim(IV) pentahidrat, tioasetamida, asetat kobalt(II) tetrahydrat, hidroksida ammonium, asam klorida, aseton, dan etanol digunakan sebagaimana adanya.

Persiapan Array Nanosheet TiO₂

Nanosheet TiO₂ ditumbuhkan pada kaca FTO melalui metode hidrotermal: 10 mL HCl + 10 mL air DI, 0,4 mL tetrabutil titanat, 0,2 g ammonium heksafluoritanat, diikuti oleh sintesis hidrotermal pada 170 °C selama 10 jam. Aneling pasca pada 550 °C selama 3 jam meningkatkan kristalinitas.

Pembuatan Hibrid TiO₂/SnS₂

SnS₂ disetorkan melalui pertumbuhan solvothermal: 10 mL etanol + 10 mM SnCl₄ + 30 mM tioasetamida pada 80 °C selama 1 jam, kemudian dianeling pada 250 °C dalam Ar selama 2 jam.

Sintesis Fotoelektroda TiO₂/SnS₂/CoOₓ

Nanopartikel CoOₕ diancorkkan melalui penyetoran solvothermal: 0,25 mL NH₄OH dalam 18 mL etanol + 5 mM asetat kobalt, dipanaskan pada 120 °C selama 1 jam, diikuti oleh pencucian menyeluruh.

Karakterisasi

XRD (Cu Kα), SEM/EDS, TEM/HRTEM, Raman (633 nm), UV–Vis reflectansi difus, XPS, dan pengukuran PEC (tiga elektroda, 0,5 M Na₂SO₄, pH 6,8, 100 mW cm⁻² AM 1.5G). Kurva fotolistrik-potensi direkam pada 10 mV s⁻¹, dan uji stabilitas dilakukan selama 2 jam di bawah iluminasi berkelanjutan.

Hasil dan Pembahasan

Arsitektur TiO₂/SnS₂/CoOₕ diilustrasikan dalam Skema S1 (supplement). Citra SEM (Gambar 1a–c) mengungkapkan nanosheet TiO₂ yang seragam, rata vertikal (~280 nm tebal, 1 µm tinggi). Lapisan SnS₂ membuat permukaan menjadi lebih kasar (Gambar 1b), sementara pemuatan CoOₕ menjaga morfologi nanosheet sebagian besar utuh (Gambar 1c). HRTEM mengonfirmasi bidang {001} TiO₂ tunggal kristal (0,23 nm) dan bidang {100} SnS₂ (0,32 nm). Pola XRD (Gambar 2a) cocok dengan anatase TiO₂ dan SnS₂ heksagonal; puncak CoOₕ tidak terlihat karena pemuatan rendah. Spektra Raman menunjukkan mode TiO₂ Eg, B1g, A1g, dan Eg; puncak A1g SnS₂ pada 314 cm⁻¹ mengonfirmasi penyetoran SnS₂ yang berhasil. Absorpsi UV–Vis (Gambar 2b) menunjukkan perpindahan biru menjadi 380 nm untuk TiO₂, absorpsi terlihat yang luas untuk TiO₂/SnS₂, dan tidak ada perpindahan lebih lanjut setelah penambahan CoOₕ. Jarak energi optik adalah 3,2 eV (TiO₂) dan 2,4 eV (SnS₂).

XPS mengonfirmasi spesies Ti⁴⁺, Sn⁴⁺, S²⁻, dan kobalt bercampur Co²⁺/Co³⁺; Co pada ~4,3 at % (Gambar 3f). Kinerja PEC (Gambar 4) menunjukkan arus gelap yang tidak dapat diabaikan untuk semua sampel; di bawah iluminasi, TiO₂/SnS₂ menghasilkan efisiensi konversi foto 0,24 persen, sementara TiO₂/SnS₂/CoOₕ mencapai 0,44 persen—peningkatan 3,6 kali dibanding TiO₂ polos dan 2,0 kali dibanding TiO₂/SnS₂. Kepadatan arus fotolistrik pada 1,23 V vs. RHE melonjak dari 0,31 mA cm⁻² (polis) menjadi 1,05 mA cm⁻² (hibrid tiga), peningkatan sebesar 3,38 kali. Spektroskopi impedansi elektrokimia (Gambar 4d) menunjukkan resistensi transfer muatan yang terurangi (R_ct: 3780 Ω → 1650 Ω) untuk hibrid, yang menunjukkan pemisahan muatan antarmuka yang efisien.

Stabilitas jangka panjang (Gambar 5) menunjukkan penurunan arus sebesar 54 persen untuk TiO₂/SnS₂ dan hanya 18 persen untuk TiO₂/SnS₂/CoOₕ setelah 2 jam, yang menyoroti peran pelindung CoOₕ. Penyejajaran energi yang diusulkan (Gambar 6) menggambarkan transfer tipe-II: elektron yang fotoeksitasi di CB SnS₂ bergerak ke CB TiO₂, sementara lubang mentransfer dari VB TiO₂ ke VB SnS₂, di mana CoOₕ mengkatalisis oksidasi air dan menekan rekombinasi.

Kesimpulan

Kami telah memproduksi fotoanoda heterojuntung 2D TiO₂/SnS₂/CoOₕ yang memberikan peningkatan 3,6 kali arus fotolistrik dan efisiensi konversi foto 1,8 kali lebih tinggi relatif terhadap TiO₂/SnS₂. Sinergi dari penyerapan cahaya terlihat yang ditingkatkan, pemisahan muatan yang efisien, dan katalisis CoOₕ yang kuat menghasilkan platform PEC yang stabil dan berkinerja tinggi untuk produksi hidrogen yang didorong oleh surya.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data tersedia dari penulis yang bersesuaian atas permintaan yang wajar.