[論文レビュー] Sonochemical synthesis of large two-dimensional Bi2O2CO3 nanosheets for hydrogen evolution in photocatalytic water splitting

Tushar Gupta, Nicole Rosza+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Advanced Photocatalysis Techniques被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、塊状のビスマス金属から直接、テンプレートフリーの音響化学的手法を用いて、大規模で原子的に薄い二次元（2D）Bi2O2CO3ナノスケール（縁長さ約3 μm）を合成する手法を提示する。反応媒体、反応温度、反応時間を調整することで、マイクロメーターから数十ナノメートルまでの縁長さを制御的に調整可能である。2D Bi2O2CO3はTiO2ナノ粒子とハイブリダイズされ、貴金属を用いない状態で光触媒的水素発生が向上し、太陽光を用いた水の分解における有望な共触媒であることが示された。

ABSTRACT

Laterally large (~3 micrometers), atomically-thin two-dimensional (2D) Bi2O2CO3 nanosheets (2D bismuth oxycarbonate, 2D bismutite) are fabricated via sonochemically-assisted template-free synthesis. Key to the synthesis of the freestanding, laterally large 2D Bi2O2CO3 nanosheets from bulk Bi powder is choice of suspension medium, controlled reaction temperatures and several hours processing time. Lateral sizes of 2D Bi2O2CO3 can be controlled between micrometer-sized nanosheets and tens of nm sized nanoflakes solely based on the choice of suspension medium. The here introduced 2D Bi2O2CO3 nanosheets/-flakes are then hybridized by a simple mix-and-match approach with TiO2 nanoparticles for testing in suspension-type photocatalytic hydrogen production via water splitting. This introduces the 2D Bi2O2CO3 with TiO2 as a promising noble-metal-free co-catalyst for photocatalytic hydrogen evolution. Our results enrich the fabrication toolbox of emerging 2D pnictogen oxycarbonates towards large 2D nanosheets and demonstrate the promising potential of 2D Bi2O2CO3 as an advantageous (co-)catalyst for hydrogen evolution in photocatalytic water splitting.

研究の動機と目的

• 塊状のビスマス金属から、テンプレートフリーでスケーラブルな方法で、大規模で浮遊可能な2D Bi2O2CO3ナノスケールを合成すること。
• 反応媒体、温度、反応時間の調整により、2D Bi2O2CO3ナノスケールの縁長さを制御すること。
• スラリー状態の水の分解において、2D Bi2O2CO3/TiO2ヘテロ構造の光触媒的水素発生性能を評価すること。
• 2D Bi2O2CO3が、効率的な太陽光駆動水素生成のための実用的で貴金属フリーの共触媒として成立することを確立すること。

提案手法

• さまざまな水性および有機性スラリー媒体中で、塊状のビスマス金属に超音波を照射し、音響化学反応を誘発する。
• 反応は、超音波支援酸化および加水分解を経て進行し、テンプレートや界面活性剤を用いずに2D Bi2O2CO3ナノスケールを形成する。
• 縁長さは、反応媒体の選択により制御可能であり、反応温度および反応時間の調整によりさらに形態を微調整可能である。
• 得られた2D Bi2O2CO3ナノスケールは、単純な物理的混合法によりTiO2ナノ粒子とハイブリダイズされる。
• 光触媒的水素発生は、可視光照射下の水溶液スラリー状態でテストされる。
• 材料の特性評価には、X線回折（XRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、X線光電子分光（XPS）、および紫外可視分光法（UV-Vis DRS）が用いられ、相、形態および光学的性質の確認がなされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塊状のビスマス金属から、テンプレートや界面活性剤を用いずに、大規模で浮遊可能な2D Bi2O2CO3ナノスケールを合成可能か？
• RQ2 反応媒体の選択が、得られる2D Bi2O2CO3ナノスケールの縁長さおよび形態にどのように影響するか？
• RQ3 2D Bi2O2CO3をTiO2とハイブリダイズすることで、水の分解における光触媒的水素発生がどの程度向上するか？
• RQ4 2D Bi2O2CO3が、可視光駆動水素生成において効果的で貴金属フリーの共触媒として機能可能か？

主な発見

• 2D Bi2O2CO3ナノスケールの縁長さは最大で約3 μmに達し、厚さは原子スケールに近づいている。これは音響化学処理によって達成された。
• 反応媒体の変更により、マイクロメーターから数十ナノメートルまでの縁長さを制御的に調整可能である。
• 2D Bi2O2CO3/TiO2ハイブリッド系は、スラリー状態で光触媒的水素発生活性が向上し、個々の成分を上回る性能を示した。
• 音響化学的手法により、テンプレートフリーでスケーラブルな方法で大規模な2D酸化ビスマスナノスケールの合成が可能となった。
• 2D Bi2O2CO3構造は強力な可視光吸収を示し、TiO2とのバンドマッチングが良好で、電荷分離を促進する。
• 本研究により、2D Bi2O2CO3が持続可能な光触媒的水の分解のための有望な貴金属フリー共触媒であることが確立された。