Халькогениды металлов (CuS или MoS2)

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7994 (2023) Цитировать эту статью

492 доступа

Подробности о метриках

Здесь мы сообщаем о модификации наноструктур TiO2 двумя разными халькогенидами металлов (CuS или MoS2). Исследовано влияние схемы получения (гидротермальный и соосаждаемый методы) и массового соотношения халькогенидов металлов. Синтезированные фотокаталитические нанокомпозиты были полностью охарактеризованы различными методами. Кроме того, был проведен фото/электрохимический анализ для исследования фотоэлектрических свойств и фотокаталитического механизма. Фотокаталитические характеристики оценивали с использованием двух тестовых реакций. В случае генерации H2 расщеплением воды было обнаружено, что 0,5 мас.% CuS-TiO2, синтезированного методом соосаждения, имеет начальную скорость выделения водорода (HER) 2,95 ммоль ч-1 г-1. В то время как оптимизированный 3 мас.% MoS2-TiO2, синтезированный гидротермальным методом, показал HER 1,7 ммоль ч-1 г-1. Более того, эффективность деградации красителя метиленового синего составила 98% под воздействием УФ-Вид света в течение 2 часов при использовании 0,5 CT_PP и 3MT_HT. При видимом облучении эффективность деградации составила 100% и 96% для 3MT_PP и 0,5CT_HT в присутствии H2O2 соответственно. Это исследование доказало, что халькогениды металлов могут действовать как эффективные, стабильные и недорогие бифункциональные сокатализаторы, улучшающие общие фотокаталитические характеристики.

Доступность чистой воды и возобновляемых источников энергии считается двумя основными проблемами, стоящими перед человечеством в XXI веке1. В настоящее время развитие промышленности сильно зависит от ископаемого топлива. Однако в будущем источники ископаемого топлива могут быть исчерпаны. Более того, рост использования приводит к значительным выбросам парниковых газов. Развитие экологически чистых и экологически чистых источников энергии весьма желательно. Недавно фотокатализ на основе полупроводников был исследован как многообещающая стратегия очистки воды и производства водорода2,3.

Со времени новаторской работы Хонды и Фудзисимы в 1972 году по расщеплению воды на электродах TiO2 n-типа4 было проведено несколько исследований по поиску подходящих материалов. Многие полупроводники, TiO2, CdS и ZnO, были разработаны для генерации водорода и очистки воды5.

TiO2 считается наиболее широко используемым фотокатализатором из-за его доступности, высокой химической стабильности и нетоксичности6,7,8. Однако TiO2 недостаточно реагирует на видимый свет из-за широкой запрещенной зоны (E0 = 3,2 эВ), высокой скорости рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда и быстрой обратной реакции. Таким образом, было предпринято несколько попыток повысить фотокаталитическую активность TiO29,10,11,12. Из-за этих ограничений было разработано несколько схем изменения TiO2 благородными металлами (например, Pt, Pd, Au и Ag)13,14, переходными металлами (например, Cu и Ni)15,16 и их оксидами (например, NiO и CoOx)17,18, сенсибилизация красителем19 и построение гетеропереходов с другими полупроводниками20,21. Во многих исследованиях благородные металлы и их оксиды (например, Pt, Pd, RuO2 и Ag2O) использовались14,22,23,24 в качестве потенциальных сокатализаторов для повышения фотокаталитической активности TiO2. Однако благородные металлы очень дороги; таким образом, модификация неблагородными металлами в качестве сокатализатора является актуальной.

В последние годы фотокатализаторы на основе халькогенидов металлов, таких как CdS, CuS, MoS2 и ZnS, привлекли значительное внимание благодаря их эффективной фотокаталитической активности в отношении расщепления воды и очистки сточных вод. Эти свойства можно объяснить их узкой запрещенной зоной, подходящей физической и химической структурой, достаточной термической стабильностью и хорошей реакцией на видимый свет25,26,27,28. Таким образом, взаимодействие сульфидов металлов с TiO2 сыграло решающую роль, способствуя разделению фотогенерированных электронно-дырочных пар и повышению фотокаталитической активности в отношении деградации красителей и генерации водорода. Среди этих сульфидов металлов CuS является металлосульфидным полупроводником с узкой запрещенной зоной (2,0–2,2 эВ), который нетоксичен, дешев и доступен29. Кроме того, CuS/TiO2 образуют гетеропереход типа II, в результате чего разделение фотовозбужденных носителей улучшилось. Для MoS2 это полупроводник со слоистой 2D структурой с непрямой запрещенной зоной 1,2 эВ и прямой запрещенной зоной в монослоистой форме 1,8 эВ. Ху и др. сообщили, что нанолисты MoS2 значительно повышают эффективность CdS до 49,8 ммоль ч-1 г-1 для фотокаталитического выделения H230. Кроме того, было исследовано, что MoS2 в сочетании с TiO2 усиливает фотокаталитическое образование водорода и деградацию красителя под воздействием ультрафиолетового и видимого света31,32. Хотя во многих сообщениях изучалась повышенная фотокаталитическая активность TiO2, модифицированного сульфидами металлов, эти исследования были сосредоточены в основном на методах синтеза, предполагающих длительное время получения и высокотемпературные условия. Метод легкого соосаждения представляет собой простой метод получения TiO2, загруженного сокатализаторами CuS и MoS2, с высокой активностью в отношении образования H2 и деградации красителя.