Películas de nanotubos de TiO2 sensibilizadas Bi2Se3 para protección catódica fotogenerada de acero inoxidable 304 bajo luz visible

Resumen

Dióxido de titanio (TiO ₂ ) matrices de nanotubos acopladas con un semiconductor de espacio estrecho:seleniuro de bismuto (Bi ₂ Se ₃ ) —Exhibió una mejora notable en la propiedad de protección fotocatódica del acero inoxidable 304 bajo luz visible. Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocompuestos se sintetizaron con éxito mediante un método simple de dos pasos, incluido un método de anodización electroquímica para preparar TiO ₂ puro. y un método de deposición en baño químico para sintetizar Bi ₂ Se ₃ nanoflores. La morfología y estructura de las películas compuestas se estudiaron mediante microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de dispersión de energía, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y difracción de rayos X. Además, la influencia del Bi ₂ Se ₃ También se estudió el contenido de las propiedades de protección fotoelectroquímica y fotocatódica de las películas compuestas. La densidad de fotocorriente del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites fue significativamente más alto que el de TiO ₂ puro bajo luz visible. El sensibilizador Bi ₂ Se ₃ mejoró la separación eficiente de los pares de electrones y huecos fotogenerados y las propiedades de protección fotocatódica del TiO ₂ . Bajo iluminación de luz visible, Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites sintetizados por el método de deposición en baño químico con Bi ³⁺ (0.5 mmol / L) exhibió el desempeño óptimo de protección catódica fotogenerada para el acero inoxidable 304.

Antecedentes

Como importantes materiales de ingeniería, los aceros inoxidables se han aplicado ampliamente a proyectos importantes en numerosos campos debido a su excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, los aceros inoxidables pueden sufrir una corrosión grave cuando se utilizan en entornos agresivos específicos, como entornos ácidos, así como en condiciones de alta temperatura o que contienen cloruros [1, 2, 3, 4]. Durante las últimas décadas se han desarrollado una amplia investigación y aplicaciones del método anticorrosión tradicional, incluidos los revestimientos [5, 6], el uso de un ánodo de sacrificio [7] y la protección catódica de corriente impresa [8, 9]. Sin embargo, la tecnología anticorrosiva ecológica y duradera sigue siendo un objetivo importante. Como nueva tecnología anticorrosión, la protección fotocatódica fue propuesta por primera vez por Yuan y Tsujikawa en 1995 [10] antes de recibir la atención de los investigadores de la corrosión [11,12,13,14].

Dióxido de titanio (TiO ₂ ) es un material fotoeléctrico importante con buenas propiedades de conversión fotoeléctrica y fotocatálisis y se usa ampliamente en catalizadores [15], células solares [16] y sensores de gas [17] debido a su bajo costo, no toxicidad y propiedades químicas estables. TiO ₂ y TiO ₂ Los compuestos a base de materiales compuestos se utilizan para la protección catódica fotogenerada:una técnica prometedora para la prevención de la corrosión que ha experimentado un rápido desarrollo en los últimos años [18,19,20,21,22,23]. Sin embargo, la banda prohibida (3,2 eV) de TiO ₂ restringe la fotorrespuesta a solo la región ultravioleta, lo que deprime significativamente la tasa de utilización de la energía solar. Además, portadores de carga fotoinducidos en TiO ₂ desnudo Las nanopartículas muestran una vida útil muy corta debido a la rápida recombinación de pares de electrones y huecos fotoexcitados, lo que reduce el efecto de protección fotocatódica del TiO ₂ puro. Película (s. Por lo tanto, cómo superar las deficiencias anteriores de TiO ₂ se ha convertido en un tema ampliamente estudiado. Se han realizado muchos estudios sobre la combinación de TiO ₂ con elementos no metálicos (F, N y S) [12, 24, 25], átomos metálicos (Fe, Co, Cu y Ce) [26,27,28,29] y algunos nano-semiconductores con banda prohibida estrecha (Ag ₂ O, ZnSe, WO ₃ , CdS, Ag ₂ S, CdSe y Bi ₂ S ₃ ) [30,31,32,33,34,35,36] para mejorar la separación de portadores y la utilización de la luz de TiO ₂ .

Seleniuro de bismuto (Bi ₂ Se ₃ ) es un semiconductor en capas de banda prohibida directa y un miembro importante de V ₂ VI ₃ familia compuesta. Tiene un alto coeficiente de absorción en las regiones de luz visible e infrarroja cercana con una banda prohibida estrecha (0,35 eV) [37]. Como calcogenuro de tipo n importante, Bi ₂ Se ₃ posee muchas características importantes, tales como alta conductividad eléctrica [38], propiedad termoeléctrica apreciable [39], fotosensibilidad [40], propiedad electroquímica [41] y fotoconductividad [42]. Además, Bi ₂ Se ₃ es un aislante topológico popular [43, 44, 45] y tiene la propiedad única de estados de superficie conductiva y estados de masa aislados. Bi ₂ de alta calidad Se ₃ Se han preparado nanoestructuras utilizando un método de deposición física de alto vacío, deposición de vapor químico, deposición de capa atómica, deposición de láser pulsado y una técnica de vapor-líquido-sólido a alta temperatura [44,45,46,47,48,49]. Estos métodos sintéticos para Bi ₂ Se ₃ requieren una fabricación difícil, lo que lleva a un alto costo de producción. En este documento, los problemas anteriores se superan mediante el empleo de un método de deposición en baño químico simple y de bajo costo para Bi ₂ Se ₃ deposición de nanoflores en TiO ₂ . La combinación de un n-Bi ₂ Se ₃ / n-TiO ₂ La heterounión como un fotoanodo eficiente se aplicó a la protección catódica fotogenerada de 304ss por primera vez. La morfología, estructura y propiedad de absorción óptica de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocompuestos se estudiaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectros de reflectancia difusa UV-visible (UV-Vis). , respectivamente.

Métodos

Todos los productos químicos utilizados en este estudio eran de grado analítico y se utilizaron tal como se recibieron sin purificación adicional. Todas las soluciones acuosas se prepararon con agua desionizada.

Preparación de TiO ₂ Película

Se pulieron láminas de Ti (20 mm x 10 mm x 0,3 mm; pureza> 99,9%) usando una mezcla que contenía NH ₄ F (2,25 g), H ₂ O (12,5 ml), H ₂ O ₂ (30% en peso, 30 ml) y HNO ₃ (68% en peso, 30 ml), y luego, las piezas de Ti se limpiaron con agua desionizada y etanol. TiO ₂ La película se preparó sobre una hoja de Ti mediante el método de oxidación anódica descrito en la bibliografía [50]. Se eligió la placa de Pt como cátodo y la lámina de Ti como ánodo a 20 V durante 1 h en una solución de etilenglicol que contiene NH ₄ F (0,22 g), H ₂ O (4 mL) y etilenglicol (40 mL) a temperatura ambiente. Después de eso, las muestras se enjuagaron con agua desionizada y etanol. Finalmente, las muestras se recocieron a 450 ° C durante 2 hy se enfriaron en aire ambiente para obtener TiO ₂ película.

Síntesis de Bi ₂ Se ₃ en el TiO ₂ Película

El Bi ₂ Se ₃ se preparó mediante el método de deposición en baño químico. En el procedimiento experimental, 8 mmol de ácido nitrilotriacético (H ₃ NTA) y 0,4 mmol de Bi (NO ₃ ) ₃ · 5H ₂ O se agregaron a agua desionizada (400 mL) para formar el quelato de bismuto, con un Bi ³⁺ concentración de 1.0 mmol / L en la solución mezclada. Se añadieron dos milimoles de ácido ascórbico como reactivo reductor a la solución anterior, y luego, se añadió cuidadosamente hidróxido de amonio, gota a gota, hasta que el pH de la mezcla se ajustó a aproximadamente 8,6 ~ 8,9 y la solución mezclada apareció incolora y transparente. Finalmente, Na ₂ SeSO ₃ (20 ml, 30 mmol / L) se inyectó en la solución anterior. En todos los experimentos anteriores, las soluciones acuosas se agitaron minuciosamente con un agitador magnético para obtener una solución homogénea. Luego, un TiO ₂ el sustrato se sumergió en la solución final (40 mL) en un vaso de precipitados (100 mL). El vaso de precipitados cubierto con film transparente se transfirió luego a un horno calentado a una temperatura de 80 ° C durante 200 min para obtener el Bi ₂ Se ₃ nanofloreciente en el TiO ₂ sustrato. Finalmente, la muestra se sacó del vaso de precipitados y se lavó varias veces con agua desionizada y etanol y luego se dejó secar al aire ambiente. De esta forma, Bi ₂ Se ₃ -TiO ₂ sensibilizado las películas se obtuvieron y etiquetaron con Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0. Para simplificar, diferentes cantidades de Bi ₂ Se ₃ en TiO ₂ los sustratos se designan como Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -γ en este artículo, donde γ denota la concentración de Bi ³⁺ en el H ₃ NTA y Bi (NO ₃ ) ₃ · 5H ₂ O solución. Con las cantidades de los otros reactivos mantenidas constantes, Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0.5 y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Se obtuvieron -0,25 para Bi ³⁺ concentraciones de 0,5 mmol / L y 0,25 mmol / L, respectivamente. La influencia de diferentes cantidades de Bi ₂ Se ₃ En este artículo se investigó sobre las propiedades de protección fotoelectroquímica y fotocatódica de las películas compuestas.

Análisis de morfología y composición

Se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi S-4800, Japón) para investigar las morfologías de las películas preparadas. Se empleó espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS, analizador de espectro de energía de rayos X Oxford Energy 350) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) para determinar la composición química de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites. Se utilizó UV-Vis DRS (Japón Hitachi UH4150) para determinar la absorbancia de luz de las muestras. La composición de la fase cristalina de las muestras se caracterizó mediante un difractómetro de rayos X (XRD, Alemania Bruker AXSD8) utilizando Cu K _α radiación (γ =1.54056 Å) de 10 ° a 80 °.

Mediciones fotoelectroquímicas

Como se muestra en la Fig. 1, se usó un sistema de acoplamiento que comprende fotólisis y celdas electrolíticas para las mediciones fotoelectroquímicas, y se usó una membrana de intercambio de protones para unir las dos celdas entre sí. La celda de fotólisis contenía 0,1 mol / L de Na ₂ S y solución mixta de NaOH 0,2 mol / L, que desempeñó el papel de agente de sacrificio para promover la separación de electrones y huecos [33, 51], mientras que se utilizó una solución de NaCl 0,5 mol / L como electrolito para la celda electrolítica. En la celda electrolítica, se adoptó un sistema de tres electrodos con una lámina de Pt como contraelectrodo (CE), electrodo de calomelanos saturado como electrodo de referencia (RE) y 304ss como electrodo de trabajo (WE). Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Las muestras de nanocompuestos colocadas en la celda de fotólisis se conectaron a un electrodo 304ss sumergido en la celda electrolítica mediante un alambre de cobre. La fuente de luz en el rango de luz visible se irradió con una lámpara de xenón de alta presión (PLS-SXE 300 C, Beijing Perfectlight Company, China). Los cambios en el potencial de circuito abierto (OCP) y las curvas de fotocorriente se midieron utilizando un potenciostato / galvanostato / ZRA de Gamry (GAMRY 3000, Gamry Instruments, EE. UU.) Antes y durante la irradiación de luz.

Bocetos esquemáticos de la configuración experimental utilizada para el análisis fotoelectroquímico

Resultados y discusión

Caracterización de TiO2 puro y Bi2Se3 / TiO2

La Figura 2a muestra una vista superior típica y topografías transversales para TiO ₂ películas preparadas bajo el método de anodización. El TiO ₂ Los arreglos de nanotubos muestran una estructura nanoporosa compuesta por nanotubos bien ordenados y de alta densidad con un diámetro interno promedio y una longitud de aproximadamente 55 nm y 680 nm, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 2b – d, el TiO ₂ Las superficies de nanotubos fueron modificadas con éxito por Bi ₂ Se ₃ mediante el método de deposición en baño químico para diferentes concentraciones de Bi ³⁺ . Para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0.25, el Bi ₂ Se ₃ nanoflakes se distribuyeron esporádicamente y se agregaron de manera desigual en el TiO ₂ nanotubos (Fig. 2b). Cuando la concentración de Bi ³⁺ fue de 0,5 mmol / L, Bi ₂ Se ₃ estaba compuesta casi en su totalidad por patrones florales de nanoflakes ultrafinos y flexibles con un diámetro de aproximadamente 800 nm, sin bloquear la boquilla del TiO ₂ nanotubos o dañarlos (Fig. 2c). Bi ₂ Se ₃ nanoflores que se observaron distribuidas uniformemente en la superficie del TiO ₂ mostró una estructura interna reticulada para las nanoflakes ultrafinas, que prevenía eficazmente la agregación de laminillas y mantenía una vida útil prolongada de las arquitecturas, como se muestra en la Fig. 2c. Después de la concentración de Bi ³⁺ se aumentó a 1.0 mmol / L, la cantidad y el diámetro de Bi ₂ Se ₃ las nanoflores aumentaron significativamente y la aglomeración de nanoflores bloqueó los nanotubos, como se muestra en la Fig. 2d. El espectro de EDS correspondiente del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Las películas de -0,5 mostradas en la Fig. 2e revelaron que los picos característicos de Ti, O, Bi y Se estaban marcados con porcentajes atómicos de Bi y Se de 0,9% y 1,3%, respectivamente. Es bien sabido que el error de medición de la prueba EDS aumenta con la disminución del contenido del elemento de prueba. Por lo tanto, es aceptable que la relación atómica de Bi y Se esté cerca de 2:3.

Imágenes SEM para a puro TiO ₂ , b Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,25, c Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 y d Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0; e Espectro EDS para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 películas

La Figura 3a muestra los espectros XRD para TiO ₂ puro (curva a) y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 nanocompuestos (curva b). Aparte de los picos del sustrato de Ti, los picos de difracción a 25,38 °, 38,03 °, 48,01 °, 54,05 °, 55,17 °, 62,71 ° y 70,44 ° coincidían bien con los planos de la red (101), (004), (200), (105), (211), (204) y (220) de anatasa TiO ₂ , respectivamente (JCPDS 21-1272). Excepto por el TiO ₂ picos, los picos de difracción distintivos a 29,35 ° y 74,90 ° se indexaron a los planos de celosía (015) y (0216) del cristal romboédrico Bi ₂ Se ₃ (JCPDS 33-0214). Sin embargo, no hay un pico obvio de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1.0 debido al bajo contenido de Bi ₂ Se ₃ depositado en TiO ₂ y los espectros XRD se ajustaron a los resultados de SEM y EDS. Se utilizó espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) para determinar más a fondo las composiciones químicas y los estados del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites. Como se muestra en la Fig. 3b, XPS reveló la existencia de componentes Bi, Se, Ti y O además de contaminantes C debido a la contaminación por hidrocarburos adventicios. La Figura 3c muestra las posiciones de los picos de Ti 2p a 458,7 y 464,5 eV, lo que indica que los óxidos de titanio consistían principalmente en TiO ₂ [52]. Como se ilustra en la Fig. 3d, los semáforos de O 1s coincidieron con dos picos gaussianos:el máximo en la energía de enlace más baja (530.0 eV) se atribuyó al oxígeno de la red (O _L ) en Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites y el segundo en la energía de unión más alta (531.5 eV) se derivó del oxígeno adsorbido (O _A ), incluidos los grupos de oxígeno o hidroxilo de enlace débil. La existencia de O _A se debió a la generación de vacantes de oxígeno en la superficie de los nanocompuestos, lo que podría mejorar las propiedades de conversión fotoeléctrica de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites en protección fotocatódica [53]. La figura 3e muestra que el 4f _7/2 pico asimétrico para Bi resuelto en dos picos (157,5 y 159,4 eV), con Bi 4f _5/2 espectro igualmente dividido en dos bandas a 162,8 y 164,7 eV, respectivamente. Las posiciones de los picos inferiores (157,5 eV y 162,8 eV) estaban en buen acuerdo con las de Bi ₂ Se ₃ , con los picos más altos correspondientes al óxido de bismuto a 159,4 eV y 164,7 eV [54, 55]. Se puede concluir que un puñado de bismuto metálico se oxidó durante el proceso de síntesis con Bi ₂ Se ₃ modificar TiO puro ₂ . Como se muestra en la Fig. 3f, los dos picos se asignaron al 3d _3/2 y 3d _5/2 niveles centrales de Se en 55.1 y 54.2 eV, respectivamente, lo que indica que Se existía en forma de Se ^2- [56].

un Patrones XRD para TiO ₂ puro y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 nanocomposites; b el espectro total de la encuesta, c Ti 2p, d O 1s, e Bi 4f y f Espectros Se 3d XPS para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1.0 nanocompuestos

La Figura 4 muestra las capacidades de absorción de luz del TiO ₂ puro y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 nanocomposites. El borde de absorción característico del TiO ₂ puro estaba aproximadamente a 380 nm dentro de la región UV debido a la energía de banda prohibida de la anatasa TiO ₂ (3,2 eV) (curva a). Se observó una adsorción pronunciada para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocompuestos en la región de la luz visible (350-800 nm) (curva b), con capacidades de absorción de luz visible más altas que las del TiO ₂ puro debido a la incorporación de Bi ₂ Se ₃ nanoflor. Este fenómeno puede atribuirse al hecho de que Bi ₂ Se ₃ se excita bajo luz visible debido a su banda prohibida estrecha (0,35 eV), con electrones y huecos producidos en su banda de conducción (CB) y banda de valencia (VB). Por lo tanto, la adición de Bi ₂ Se ₃ aumenta efectivamente la capacidad de absorción de luz visible de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites.

Espectros de absorción UV-visible para TiO ₂ (a) y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 (b)

Rendimiento de protección fotocatódica de TiO2 puro y Bi2Se3 / TiO2

Como se muestra en la Fig.5, las curvas de OCP para 304ss junto con TiO ₂ puro y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los fotoanodos nanocompuestos se midieron bajo luz visible intermitente, con la respuesta de OCP a la iluminación indicada y cambiada a un potencial negativo para todos los electrodos acoplados. En la fase inicial de luz encendida, el OCP para todos los electrodos acoplados mostró un cambio negativo en un corto período de tiempo, que se debió a la transferencia de los fotoelectrones excitados del TiO ₂ puro. y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocompuesto al electrodo 304ss [1, 57]. Posteriormente, los valores de OCP relativamente estables se pueden atribuir a la tasa de equilibrio entre la creación y recombinación de electrones fotogenerados [32]. Después de apagar la irradiación, los valores de OCP para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocomposites volvieron a sus valores originales a una velocidad más lenta en comparación con el TiO ₂ puro. . Este fenómeno podría atribuirse al efecto de reserva de electrones de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites, que pueden almacenar electrones fotoinducidos bajo irradiación de luz y liberarlos lentamente sin irradiación de luz. Bajo irradiación de luz visible, el valor de OCP para 304ss fue de aproximadamente - 450 mV cuando se combinó con TiO ₂ (curva a) y los valores de OCP para 304ss junto con Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,25 (curva b), Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 (curva d) y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 (curva c) alcanzó - 905 mV, - 996 mV y - 958 mV, respectivamente. Estos resultados indicaron que 304ss se polarizó catódicamente una vez acoplado con Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocompuestos y que Bi ₂ podría proporcionar una buena protección catódica para 304ss. Se ₃ / TiO ₂ fotoanodos. Como se muestra en la Fig.5 d, el 304ss acoplado a Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 poseía el potencial más negativo indicaba que el mejor rendimiento de protección fotocatódica para 304ss. Este resultado podría deberse a que los sitios activos y la recolección de luz aumentaron con el aumento de Bi ₂ Se ₃ contenido. Sin embargo, una cantidad excesiva de Bi ₂ Se ₃ Las partículas sirvieron como sitios de recombinación para electrones y huecos, lo que dificultó la transferencia de carga desde el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites a 304ss.

OCP para 304ss junto con TiO ₂ puro y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites en una solución de NaCl 0,5 mol

Como se muestra en la Fig.6, la densidad de fotocorriente frente a las curvas de tiempo para TiO ₂ y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocompuestos mostraron una fotorrespuesta rápida y reproducible bajo iluminación de luz visible intermitente, que reflejaba el rendimiento de conversión fotoeléctrica de los materiales. La corriente fotogenerada fue relativamente pequeña bajo luz visible debido a la débil absorción de luz visible (curva a). Sin embargo, la corriente fotogenerada aumentó notablemente bajo iluminación de luz visible después de la sensibilización de TiO ₂ por el Bi ₂ Se ₃ nanoflor (curvas b ad). Los datos implicaron que el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocomposites eran capaces de utilizar la luz visible y que la heterounión entre TiO ₂ y Bi ₂ Se ₃ promovió la separación de electrones y huecos fotogenerados [58]. Además, los fotoelectrones producidos en la banda de conducción del Bi ₂ Se ₃ La nanoflor se puede transferir fácilmente a la banda de conducción más positiva del TiO ₂ nanotubos bajo iluminación de luz visible. Después de tres intervalos de irradiación, la fotocorriente mantuvo un valor relativamente estable y no se detectó degradación de la fotocorriente, lo que ilustra la buena estabilidad fotoquímica del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ películas nanocompuestas. Para diferentes concentraciones de Bi ³⁺ , el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocomposites mostraron diferentes intensidades para la respuesta a la fotocorriente. En particular, la densidad de fotocorriente transitoria para Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 (415 μA / cm ² ) fue más alto que el de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,25 (85 μA / cm ² ) y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -1,0 (160 μA / cm ² ), lo que indica que Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 poseía una eficiencia de separación ideal para los pares de electrones y huecos fotogenerados. Los sitios activos y la captación de luz se redujeron debido a la deficiencia de Bi ₂ Se ₃ nanoflores en el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ películas de nanocompuestos, mientras que los sitios de recombinación de electrones y huecos aumentaron en presencia de una cantidad excesiva de Bi ₂ Se ₃ nanoflores. Bajo iluminación de luz visible, la mayor densidad de corriente fotoinducida del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ El fotoanodo de -0,5 fue consistente con las caídas de potencial fotoinducidas más grandes ilustradas en la Fig. 5, validando aún más el rendimiento de protección fotocatódica óptimo de Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 para 304ss.

Densidad de fotocorriente frente a curvas de tiempo para TiO ₂ puro y Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocompuestos en 0,1 mol / L de Na ₂ S y solución mixta de NaOH 0,2 mol / L

La Figura 7 muestra los procesos de transporte y conversión fotoeléctrica para el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites. Bajo luz visible, Bi ₂ Se ₃ las nanoflores pueden absorber fotones fácilmente ya que contienen oxígeno adsorbido (O _A ) y tienen un ancho de banda estrecho (0,35 eV). Cuando los fotones son absorbidos por Bi ₂ Se ₃ nanoflores, los electrones fotoexcitados se generarán por excitación de la banda de valencia (VB) de Bi ₂ Se ₃ a la banda de conducción (CB) de Bi ₂ Se ₃ . Los electrones fotoexcitados en el CB de Bi ₂ Se ₃ se desplazan al CB de TiO ₂ , mientras que los agujeros fotogenerados en el VB de TiO ₂ se transfieren al VB de Bi ₂ Se ₃ , y luego son capturados por S ²⁻ en el electrolito para convertirse en S en la superficie de la película de fotoanodo. Cuando los electrones fotoexcitados salen del fotoanodo y se transfieren a 304ss, reaccionarán con el oxígeno y el agua para convertir OH ^- . Además, Na ⁺ se transporta desde la celda electrolítica a la celda de fotólisis mediante una membrana de intercambio de protones, de modo que el sistema de acoplamiento es eléctricamente neutro en su conjunto. Como consecuencia, las cargas fotogeneradas se separan eficazmente y se reduce la probabilidad de recombinación de pares de electrones-huecos fotogenerados. Una vez que 304ss recibe electrones fotoexcitados del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocompuesto a través del cable, el potencial de 304ss cambia negativamente. Bajo iluminación de luz visible, el Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocompuestos pueden reducir la tasa de corrosión de 304ss. Por lo tanto, la separación eficiente de pares de agujeros de electrones fotoexcitados en Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocomposites acelerarán la reacción redox y generarán una protección fotocatódica eficaz para 304ss.

Representación esquemática de los procesos de transferencia de electrones en Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂

Conclusiones

En este documento, TiO ₂ Las matrices de nanotubos se prepararon mediante el método de anodización y Bi ₂ Se ₃ las nanoflores se cultivaron en TiO ₂ nanotubos por deposición en baño químico. El Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ Los nanocompuestos mostraron una distribución homogénea y características ordenadas. Pruebas electroquímicas para nanocomposites y TiO ₂ puro junto con 304ss mostró que el rendimiento de protección catódica fotogenerada del Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites fue superior en comparación con el TiO ₂ puro . El valor de OCP para 304ss junto con Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ -0,5 mostró un cambio negativo a - 996 mV bajo iluminación de luz visible debido a los sitios activos y la recolección de luz de TiO ₂ sensibilizado por Bi ₂ Se ₃ . Comparando los resultados de las pruebas electroquímicas de tres Bi ₂ Se ₃ / TiO ₂ nanocomposites, el nanocompuesto preparado con 0.5 mmol / L Bi ³⁺ en el electrolito mostró un rendimiento óptimo.