[논문 리뷰] Sonochemical synthesis of large two-dimensional Bi2O2CO3 nanosheets for hydrogen evolution in photocatalytic water splitting

Tushar Gupta, Nicole Rosza외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Advanced Photocatalysis Techniques인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 템플릿이 없는 초음파 화학적 방법을 통해 흑연 비스무스 금속에서 직접 대규모의 원자 두께를 가진 2차원(2D) Bi2O2CO3 나노플레이트(~3 μm 횡방향 크기)를 합성한다. 반응 매질, 반응 온도 및 지속 시간을 조절하여 횡방향 치수를 마이크로미터에서 수십 나노미터로 제어적으로 조절할 수 있다. 2D Bi2O2CO3는 TiO2 나노입자와 하이브리드화되어 고비용 박막 금속을 사용하지 않고도 향상된 광촉매 수소 발생 성능을 보이며, 태양광 분해를 위한 유망한 보조촉매로 자리매김한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 비스무스 금속에서 템플릿이 없는, 확장 가능한 방법으로 대규모 자유립형 2D Bi2O2CO3 나노플레이트를 합성하는 것.
• 반응 매질, 온도 및 반응 시간을 조절하여 2D Bi2O2CO3 나노플레이트의 횡방향 크기를 제어하는 것.
• 물질 기반 수소 분해 반응에서 2D Bi2O2CO3/TiO2 이종구조의 광촉매 수소 발생 성능을 평가하는 것.
• 2D Bi2O2CO3가 효율적인 태양광 구동 수소 생산을 위한 실현 가능한 박막 금속을 사용하지 않은 보조촉매로 기능할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 다양한 수용성 및 유기성 반응 매질에 고체 비스무스 금속을 초음파 조사하여 초음파 유도 반응을 유도한다.
• 초음파 촉매 산화 및 수해성 반응을 통해 템플릿이나 계면활성제 없이 2D Bi2O2CO3 나노플레이트를 형성한다.
• 다양한 반응 매질 선택을 통해 횡방향 치수를 제어하며, 반응 온도 및 지속 시간을 조절하여 형태를 더욱 정밀하게 조절한다.
• 수득된 2D Bi2O2CO3 나노플레이트는 단순한 물리적 혼합 방법을 통해 TiO2 나노입자와 하이브리드화된다.
• 수용액 스탠딩 상태에서 가시광선 조사 조건 하에서 광촉매 수소 발생 성능을 시험한다.
• 재료 특성 분석은 상대적 결정구조, 형태 및 광학적 성질를 확인하기 위해 XRD, SEM, TEM, XPS 및 UV-Vis DRS를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 비스무스 금속에서 템플릿이나 계면활성제 없이 대규모 자유립형 2D Bi2O2CO3 나노플레이트를 합성할 수 있는가?
• RQ2 반응 매질의 선택이 형성된 2D Bi2O2CO3 나노플레이트의 횡방향 크기 및 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2D Bi2O2CO3를 TiO2와 하이브리드화하면 수소 분해 반응에서 광촉매 수소 발생 성능이 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 2D Bi2O2CO3는 가시광선 구동 수소 생산에서 효과적인 박막 금속을 사용하지 않은 보조촉매로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 2D Bi2O2CO3 나노플레이트의 횡방향 크기는 최대 약 ~3 μm에 도달하며, 두께는 원자 두께 수준에 가까워 초음파 처리를 통해 달성된다.
• 반응 매질을 변화시킴으로써 나노플레이트의 횡방향 크기를 마이크로미터 수준에서 수십 나노미터 수준으로 제어적으로 조절할 수 있다.
• 2D Bi2O2CO3/TiO2 하이브리드 시스템은 수용액 상태에서 광촉매 수소 발생 활성이 향상되어 개별 성분보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 초음파 화학적 방법은 대규모 2D 비스무스 옥시카보네이트 나노플레이트를 위한 템플릿이 없는, 확장 가능한 합성 경로를 제공한다.
• 2D Bi2O2CO3 구조는 강한 가시광선 흡수 능력과 TiO2와의 유리한 밴드 정렬을 보이며, 전하 분리 효율을 향상시킨다.
• 본 연구는 2D Bi2O2CO3가 지속 가능한 광촉매 수소 분해를 위한 유망한 박막 금속을 사용하지 않은 보조촉매로 자리매김함을 입증한다.