[논문 리뷰] 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 Singh외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 09.

Advanced Photocatalysis TechniquesEnergy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 산소 공석이 있는 ZnO와 rGO를 이용한 결함 매개 Z-스키마 헤테로구조를 Ov-ZnO-rGO-CdS 나노복합체에서 제안한다. 여기서 ZnO의 산소 공석과 rGO가 고체 상태 전자 매개체로 기능하여 인터페이스 전하 이동을 향상시킨다. 이 시스템은 향상된 전하 분離와 광안정성을 바탕으로 우수한 가시광선 광촉매 성능을 달성하여 유기 오염물질의 분해를 향상시키고 광부식을 감소시킨다.

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

연구 동기 및 목표

• ZnO 기반 광촉매의 한계, 즉 넓은 금역간격, 빠른 전하 재결합, 광부식을 극복하기 위해.
• 선택적 전하 이동을 가능하게 하여 강력한 산화환원 전위를 유지하는 Z-스키마 헤테로구조 시스템을 개발하기 위해.
• ZnO의 산소 공석을 활용하여 가시광선 흡수를 연장하고 전하 분리 효율을 향상시키기 위해.
• 감소된 그래핀 옥사이드(rGO)를 고체 상태 전자 매개체로 통합하여 역반응을 방지하고 전자 이동을 향상시키기 위해.
• 가시광선 조건에서 환경 정화를 위한 광안정성과 광촉매 효율을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 산소 공석을 포함한 ZnO(Ov-ZnO) 나노입자를 제어된 열처리를 통해 합성하여 산소 공석을 도입한다.
• 수정된 Hummers 방법을 사용하여 그래핀 옥사이드(GO)를 제조한 후, 이를 환원하여 rGO를 확보한다.
• Ov-ZnO-rGO 복합체 위에 CdS를 현장에서 성장시켜 삼성분 Ov-ZnO-rGO-CdS 이종구조를 구축한다.
• X선 회절(XRD), 라만 스펙트로스코피, UV-Vis DRS, XPS, PL, EIS 및 투과전자현미경(TEM)을 활용하여 복합체를 특성화한다.
• rGO가 Ov-ZnO의 도닝대에서 CdS의 발화대로 전자 이동을 매개하는 Z-스키마 메커니즘을 적용한다.
• 가시광선 조사 하에서 멜라민 블루 분해를 통해 광촉매 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZnO의 산소 공석은 Ov-ZnO-rGO-CdS에서 밴드 구조와 가시광선 흡수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 rGO가 고체 상태 전자 매개체로서 Z-스키마 전하 이동을 촉진하고 재결합을 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Ov-ZnO-rGO-CdS 이종구조는 순수한 ZnO나 CdS에 비해 광안정성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 Z-스키마 메커니즘이 오염물질 분해를 위한 산화환원 전위와 광촉매 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 삼성분 나노복합체에서의 인터페이스 전하 이동 경로는 타입-II 이종구조와 어떻게 다른가?

주요 결과

• UV-Vis DRS 분석을 통해 산소 공석이 ZnO에서 가시광선 흡수를 크게 연장함을 확인하였으며, 흡수 경계가 오른쪽으로 이동한 것으로 나타났다.
• XPS 분석을 통해 산소 공석 존재와 GO의 성공적인 환원이 확인되었으며, 특징적인 C 1s 피크가 약 284.8 eV에서 관찰되었다.
• 광발광(PL) 스펙트로스코피 분석에서 순수한 ZnO에 비해 Ov-ZnO-rGO-CdS에서 PL 강도가 68% 감소하여 전하 재결합이 억제됨을 나타냈다.
• 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피(EIS) 분석에서 복합체의 전하 이동 저항(Rct)이 낮아 인터페이스 전하 이동이 향상됨을 확인하였다.
• Ov-ZnO-rGO-CdS 광촉매는 가시광선 조사 하에서 60분 이내에 멜라민 블루의 98%를 분해하였으며, 순수한 ZnO(12%)와 CdS(45%)에 비해 뛰어난 성능을 보였다.
• 다섯 번의 사이클 후에도 활성도 손실이 최소한이었고, rGO를 통한 전하 이동과 결함 공학 덕분에 광안정성이 향상됨을 입증하였다.