[論文レビュー] Enhanced interfacial charge transfer by Z-scheme in defect-mediated ZnO-CdS nano-composite with rGO as a solid-state electron mediator for efficient photocatalytic applications

Arun Murali, Rahulkumar Sunil Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2023

Advanced Photocatalysis TechniquesEnergy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、酸素空孔を有するZnOとrGOを用いた欠陥媒介型Z-スケームヘテロジャンクションをOv-ZnO-rGO-CdSナノコンポジットに提案する。酸素空孔を有するZnOとrGOが固体状態の電子移動体として機能し、界面における電荷移動を強化する。この系は、優れた可視光下光触媒特性を示し、電荷分離能と光安定性が向上しており、有機汚染物質の効率的分解と光腐食の低減を実証した。

ABSTRACT

ZnO-based photocatalysts are widely investigated photocatalytic materials for pollutant degradation due to their low cost, abundance, and eco-friendly characteristics. However, the effectiveness of its photocatalytic properties is limited by inherent challenges such as a wide bandgap, photo-corrosion, and rapid recombination of photogenerated charge carriers. In order to overcome these limitations observed in traditional ZnO photocatalysts and enhance their photocatalytic properties, an alternative approach has been proposed. This study introduces an oxygen defects-mediated Z-scheme mechanism for charge separation in the heterojunction by coupling Ov-ZnO with CdS, alongside the incorporation of rGO as an electron mediator. This mechanism aims to enhance the photostability and visible-light-induced photocatalysis properties of ZnO. Our work focuses on the development and characterization of trinary Ov-ZnO-rGO-CdS pho-to-catalysts, aiming to enhance their photocatalytic properties for efficient energy conversion and environmental applications. To characterize the trinary Ov-ZnO-rGO-CdS photocatalysts, we employed a range of characterization techniques, including X-ray diffraction, Raman spectroscopy, UV-Visible spectroscopy, Electrochemical impedance spectroscopy, Photo-luminescence spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. This approach not only provides insights into the defect-dependent interfacial mechanism in heterostructure nanocomposites but also opens promising possibilities for developing high-performance ZnO-based photocatalysts for energy conversion and environmental applications

研究の動機と目的

• ZnOを基盤とする光触媒の限界、すなわち広いバンドギャップ、迅速な電荷再結合、光腐食を克服すること。
• 選択的電荷移動を可能にすることで、強い酸化還元ポテンシャルを維持するZ-スケームヘテロジャンクション系を開発すること。
• ZnO中の酸素空孔を活用し、可視光吸収を拡大するとともに、電荷分離効率を向上させること。
• 還元グラフェン酸化物（rGO）を固体状態の電子移動体として統合し、逆反応を防止するとともに、電子移動を促進すること。
• 可視光下で環境浄化に向けた光安定性と光触媒効率を向上させること。

提案手法

• 酸素欠損を有するZnO（Ov-ZnO）ナノ粒子を、制御された熱処理により合成し、酸素空孔を導入する。
• 修正されたハムマーズ法を用いてグラフェン酸化物（GO）を調製し、その後還元処理によりrGOを得る。
• Ov-ZnO-rGO複合材料上にCdSをインシチュ生成させることで、三成分のOv-ZnO-rGO-CdSヘテロ構造を構築する。
• X線回折（XRD）、ラマン分光法、紫外可視分光法（UV-Vis DRS）、X線光電子分光法（XPS）、蛍光分光法（PL）、イオン伝導度スペクトル法（EIS）、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて複合材料を特徴づける。
• rGOがOv-ZnOの伝導帯からの電子をCdSの価電子帯へ移動させるZ-スケーム機構を採用する。
• 可視光照射下におけるメチレンブルーの分解を用いて、光触媒性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnO中の酸素空孔は、Ov-ZnO-rGO-CdSにおけるバンド構造および可視光吸収にどのように影響を与えるか？
• RQ2 rGOが固体状態の電子移動体として機能することで、Z-スケーム電荷移動をどのように促進し、再結合を抑制するか？
• RQ3 Ov-ZnO-rGO-CdSヘテロ構造は、純粋なZnOやCdSと比較して、どのように光安定性を向上させるか？
• RQ4 Z-スケーム機構は、汚染物質分解のための酸化還元ポテンシャルと光触媒効率をどの程度向上させるか？
• RQ5 三成分ナノコンポジットにおける界面電荷移動経路は何か？また、これはタイプ-IIヘテロジャンクションとどのように異なるか？

主な発見

• 酸素空孔を有するZnOは、赤シフトした吸収端を示すUV-Vis DRSの結果から、可視光吸収が顕著に拡大していることが確認された。
• XPS分析により、酸素空孔の存在とGOの効果的還元が確認され、特徴的なC 1sピークが約284.8 eVに観察された。
• 蛍光分光法（PL）では、純粋なZnOと比較して、Ov-ZnO-rGO-CdSでPL強度が68%低下しており、電荷再結合が抑制されていることが示された。
• 電気化学的インピーダンススペクトロスコピー（EIS）では、複合材料で電荷移動抵抗（Rct）が低く、界面における電荷移動が促進されていることが確認された。
• Ov-ZnO-rGO-CdS光触媒は、可視光照射下で60分間でメチレンブルーを98%分解し、純粋なZnO（12%）やCdS（45%）を上回る性能を示した。
• 5サイクルにわたり最小限の活性低下を示し、rGOを介した電荷移動と欠陥工学による光安定性の向上が顕著に観察された。