[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出了一种缺陷介导的Z-型异质结结构，应用于Ov-ZnO-rGO-CdS纳米复合材料中，其中ZnO中的氧空位以及rGO作为固态电子介质，增强了界面电荷转移。该体系在可见光下展现出优异的光催化性能，具有更高的电荷分离效率和光稳定性，表现出对有机污染物更强的降解能力以及更低的光腐蚀倾向。

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

研究动机与目标

• 为克服ZnO基光催化剂存在的带隙过宽、电荷复合迅速及光腐蚀等局限性。
• 开发一种Z-型异质结体系，通过选择性电荷转移保留强氧化还原电位。
• 利用ZnO中的氧空位扩展可见光吸收并提高电荷分离效率。
• 将还原氧化石墨烯（rGO）作为固态电子介质，以抑制逆反应并增强电子转移。
• 提升在可见光照射下对环境修复的光稳定性与光催化效率。

提出的方法

• 通过受控热处理法合成氧缺陷ZnO（Ov-ZnO）纳米颗粒，以引入氧空位。
• 采用改进的Hummers法制备石墨烯氧化物（GO），随后还原得到rGO。
• 通过在Ov-ZnO-rGO复合材料上原位生长CdS，构建三元Ov-ZnO-rGO-CdS异质结构。
• 采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光（PL）、电化学阻抗谱（EIS）及透射电子显微镜（TEM）对复合材料进行表征。
• 采用Z-型机制，其中rGO介导来自Ov-ZnO导带的电子向CdS价带的转移。
• 通过可见光照射下亚甲基蓝降解实验评估光催化性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZnO中的氧空位如何影响Ov-ZnO-rGO-CdS的能带结构及可见光吸收？
• RQ2 rGO作为固态电子介质，在促进Z-型电荷转移和抑制复合方面发挥何种作用？
• RQ3 与原始ZnO或CdS相比，Ov-ZnO-rGO-CdS异质结如何提升光稳定性？
• RQ4 Z-型机制在多大程度上提升了氧化还原电位和污染物降解的光催化效率？
• RQ5 该三元纳米复合材料中的界面电荷转移路径是什么？与类型-II异质结有何不同？

主要发现

• ZnO中的氧空位显著扩展了可见光吸收，UV-Vis DRS结果证实吸收边发生红移。
• XPS分析证实了氧空位的存在以及GO成功还原为rGO，特征C 1s峰位于约284.8 eV。
• 光致发光（PL）光谱显示，与纯ZnO相比，Ov-ZnO-rGO-CdS的PL强度降低了68%，表明电荷复合被有效抑制。
• 电化学阻抗谱（EIS）显示复合材料的电荷转移电阻（Rct）更低，证实界面电荷转移能力增强。
• Ov-ZnO-rGO-CdS光催化剂在可见光照射下60分钟内实现了98%的亚甲基蓝降解率，显著优于纯ZnO（12%）和CdS（45%）。
• 该体系表现出优异的可循环性，经过五次循环后活性损失极小，证明rGO介导的电荷转移与缺陷工程显著提升了光稳定性。