Síntesis por pasos de nanoflores de Au @ CdS-CdS y sus propiedades fotocatalíticas mejoradas

Resumen

La fabricación de nanoestructuras híbridas con morfologías complejas y alta actividad fotocatalítica es un desafío difícil porque estas partículas requieren habilidades de preparación extremadamente altas y no siempre son prácticas. Aquí, nanopartículas jerárquicas similares a flores de Au @ CdS-CdS (nanoflores de Au @ CdS-CdS) se han sintetizado utilizando un método paso a paso. Las nanoflores de Au @ CdS-CdS se componen de núcleo de Au, caparazón de CdS y nanobarras de CdS. El rango de absorción de UV-Vis de las nanoflores de Au @ CdS-CdS alcanza hasta 850 nm, lo que cubre todo el rango visible (400–760 nm). La propiedad de transferencia de carga fotoinducida de las nanoflores de Au @ CdS-CdS se demostró mediante espectroscopía de fotoluminiscencia (PL). En comparación con las contrapartes de CdS y las de Au @ CdS, las nanoflores de Au @ CdS-CdS demostraron la tasa de degradación fotocatalítica más alta bajo irradiación de λ =400–780 nm y λ =600–780 nm, respectivamente. Basándonos en análisis de estructura y morfología, hemos propuesto un posible mecanismo de formación de la nanoestructura híbrida que se puede utilizar para guiar el diseño de otras nanoestructuras de metal-semiconductor con morfologías complejas.

Introducción

Actualmente, la energía solar es reconocida como la fuente de energía más limpia y abundante. La conversión de la energía solar en otras formas de energía utilizando fotocatalizadores semiconductores se ha considerado una forma ideal de resolver la crisis energética y la contaminación del medio ambiente [1, 2]. Para aprovechar al máximo la energía solar, se han diseñado y desarrollado muchos fotocatalizadores basados en semiconductores [3, 4]. Entre ellos, el CdS, con un intervalo de banda adecuado de aproximadamente 2,4 eV para una absorción eficaz de la luz visible de la luz solar, es uno de los pocos fotocatalizadores impulsados por la luz visible [5]. Sin embargo, la alta tasa de recombinación del portador de carga y la fotocorrosión impiden seriamente la eficacia fotocatalítica del CdS.

En los últimos años, las nanoestructuras híbridas han atraído una gran atención debido a sus propiedades fisicoquímicas [6,7,8,9]. En comparación con el componente individual correspondiente, las nanoestructuras híbridas basadas en CdS muestran un mejor rendimiento en ciertas aplicaciones debido al rango de absorción de luz mejorado y la separación de carga mejorada. Yu y col. han construido un sulfuro ternario único:[ZnS-CdS-Cu _2-x S] -ZnS- heteronanorod que muestra una región de absorción expandida y una separación de carga eficiente, lo que conduce a un rendimiento mejorado en la conversión de energía solar [10]. Xu y col. han sintetizado CdS @ TiO ₂ esférico y en forma de barra nanopartículas de núcleo-capa (CSN) que demuestran un excelente rendimiento fotocatalítico para reacciones redox selectivas bajo irradiación de luz visible [11, 12]. El esquema Z en CdS-Au-TiO ₂ El sistema de nanouniones de tres componentes exhibió una mayor actividad fotocatalítica que los sistemas de uno y dos componentes, debido a la transferencia de electrones a lo largo de la ruta diseñada [13]. Aunque se han sintetizado muchas nanoestructuras híbridas basadas en CdS, la síntesis controlada de nanoestructuras híbridas con componentes, estructuras y fases cristalinas deseadas sigue siendo un desafío notable.

Como una rama importante de las nanoestructuras híbridas, las nanoestructuras de semiconductores de metal se han estudiado ampliamente como un nuevo tipo de material funcional avanzado [14, 15, 16, 17, 18, 19]. Entre ellos, las nanoestructuras híbridas de Au-CdS han atraído una atención cada vez mayor debido a la interacción entre el plasmón y el excitón. Las nanoestructuras plasmónicas tienen capacidades significativas para concentrar la energía de la luz a nanoescala, lo que proviene de su naturaleza como una oscilación colectiva de los electrones de la superficie del metal con la luz incidente a frecuencias emparejadas [20]. Cuando los metales se hibridan con semiconductores, esta capacidad de gestión de la luz a nanoescala de los plasmónicos podría utilizarse para mejorar la eficacia de la fotoexcitación en los semiconductores [21]. En la investigación en nanociencia, el diseño de nanoestructuras complejas controlando el tamaño y la forma de los nanocristales es fundamental para explorar sus nuevas propiedades [22,23,24,25]. Hasta ahora, se han preparado y aplicado diversas formas de nanoestructuras híbridas de Au-CdS a componentes ópticos, sensores, dispositivos fotovoltaicos y fotocatalíticos [26, 27, 28, 29, 30]. Sin embargo, la estructura jerárquica 3D de los nanocompuestos de Au-CdS con una morfología bien definida rara vez se ha informado. La síntesis de nanocompuestos complejos es un desafío muy difícil porque estas nanopartículas requieren habilidades de preparación extremadamente altas y no siempre son prácticas.

Aquí, construimos nanopartículas de Au @ CdS-CdS parecidas a una flor (nanoflores de Au @ CdS-CdS) a través de una estrategia de síntesis escalonada. Que tiene heteroestructuras jerárquicas construidas por crecimiento epitaxial de nanobarras de CdS 1D en las superficies de CSN de Au @ CdS y estructura heterogénea entre Au y CdS. Las nanoflores de Au @ CdS-CdS sintetizadas muestran una región de absorción expandida que alcanza hasta 850 nm y cubre todo el rango visible. Las nanoflores de Au @ CdS-CdS demuestran una actividad fotocatalítica mejorada en comparación con las CSN de Au @ CdS y las contrapartes de CdS bajo la irradiación visible. Basándonos en su tamaño, morfología y estructura, hemos propuesto un mecanismo de crecimiento factible, que probablemente sea útil para investigadores en áreas tan diversas como la medicina, la energía y la electrónica, quienes a menudo diseñan nanopartículas complejas que se predice que tienen funciones útiles.

Métodos

Síntesis de nanoflores de Au @ CdS-CdS

Todos los productos químicos recibidos de Aladdin eran reactivos de grado analítico y se usaron sin purificación adicional. Los coloides de Au con un diámetro medio de 50 nm se sintetizaron mediante el método tradicional de Frens [31] y los CSN de Au @ CdS se prepararon utilizando un método hidrotermal publicado [32]. Por lo general, se mezcló una solución acuosa de l-cisteína (Cys, 99%) con nitrato de cadmio tetrahidratado (99%) en una proporción 2:1 M de Cys a Cd ²⁺ . 2 ml de l-cisteína-Cd ²⁺ (Cys / Cd ²⁺ ) mezcla se añadieron a 10 ml de coloides de Au y se agitaron durante 15 min, luego el Au- (Cys / Cd ²⁺ ) se diluyeron a 50 ml con agua y se transfirieron a un autoclave de acero inoxidable revestido con teflón (capacidad de 100 ml). Después de sellar, el autoclave se calentó y se mantuvo a 130 ° C durante 6 h. Para recubrir una capa gruesa de CdS en nanopartículas de Au, 10 ml de Cys / Cd ²⁺ mezcla se agregaron en coloides de Au (10 ml) con las otras condiciones de reacción sin cambios.

A continuación, se sintetizaron nanoflores de Au @ CdS-CdS de la siguiente manera:los coloides de CSN de Au @ CdS resultantes (10 ml), 1 ml de Cys / Cd ²⁺ 10 mM mezcla y 20 ml de etilendiamina (En,> 99%) se mezclaron y se agitaron durante 15 min, y luego se transfirieron a un autoclave de acero inoxidable revestido con teflón (50 ml de capacidad). El autoclave sellado se calentó a 180 ° C y se mantuvo a esta temperatura durante 10 h, y luego se dejó enfriar a temperatura ambiente. El producto se recogió y se lavó con agua destilada y etanol varias veces para eliminar los iones y las impurezas restantes.

Las contrapartes de CdS se sintetizaron de la siguiente manera:4 mL Cys / Cd ²⁺ Se añadieron al reactor la mezcla y 20 ml de agua y se agitó durante 15 min, luego se selló y se calentó a 130ºC durante 6 h. Los productos se enfriaron naturalmente a temperatura ambiente y se lavaron varias veces con agua destilada y etanol. Finalmente, las muestras se dispersaron en etanol absoluto.

Caracterizaciones de materiales

Las mediciones de difracción de rayos X (XRD) de las muestras se realizaron en un difractómetro avanzado Bruker D8 y los espectros de absorción UV-Vis se probaron en un fotómetro PerkinElmer Lambda 35. Se obtuvieron imágenes de microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM) y espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS) en un dispositivo JSM-7001F. El modelo de microscopio electrónico de transmisión (TEM) es JEM-2010 y la tensión de funcionamiento es de 200 kV. También se probaron imágenes de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HR-TEM) en JEM-2010 con un voltaje de funcionamiento de 200 kV. Los espectros de fotoluminiscencia (PL) se midieron en un Perkin-Elmer LS-55 con una longitud de onda de excitación de 400 nm. Las mediciones de fotocorriente (curvas i-t) se realizaron en un sistema de celda de tres electrodos convencional utilizando una estación electroquímica CHI660C sin polarización bajo una lámpara de arco Xe de 300 W como fuente de luz. El vidrio ITO limpio depositado con fotocatalizadores, escamas de Pt y un electrodo de Ag / AgCl se utilizaron, respectivamente, como electrodos de trabajo, contraelectrodo y electrodo de referencia. Na ₂ SO ₄ (0,2 M) se utilizó como electrolito.

Medición de la actividad fotocatalítica

El sistema óptico utilizado para la reacción fotocatalítica consistió en una lámpara de xenón (300 W) y dos filtros de paso de banda (con un ancho de banda de 400–780 nm y 600–780 nm) que aseguran la irradiación en rango visible. Para degradar la solución de rodamina 6G (R6G) se utilizaron cuatro tipos de fotocatalizadores, incluidas nanopartículas de Au, contraparte de CdS, Au @ CdS de espesor y Au @ CdS-CdS. Normalmente, se añadieron 6 mg de fotocatalizador a 20 ml de solución de R6G (1,0 x 10 ^-5 M) y se agitó durante 30 min en la oscuridad para lograr el equilibrio de adsorción antes de la irradiación. Los experimentos fotocatalíticos se realizaron en dos rangos de irradiación, 400-780 nm y 600-780 nm, respectivamente. Luego, se extrajeron 2,5 ml de solución cada 10 min y se centrifugaron para eliminar el fotocatalizador. Los espectros de absorción UV-Vis de los filtrados se registraron usando un fotómetro PerkinElmer Lambda 35 para controlar la reacción catalítica. Todos los experimentos de fotocatálisis se realizaron a temperatura ambiente en aire. La degradación de R6G se definió de la siguiente manera:

Degradación (%) =[( C ₀ - C _t ) / C ₀ ] × 100.

donde C ₀ es la concentración inicial de R6G, C _t es la concentración de R6G en un momento determinado después de la reacción fotocatalítica.

Resultados y discusión

El mecanismo de síntesis de las nanoflores

El proceso de síntesis por etapas para las nanoflores de Au @ CdS-CdS se representa en la Fig. 1. Primero, las nanopartículas de Au se sintetizan con un tamaño promedio de aproximadamente 50 nm. La capa de CdS se deposita sobre la superficie de las nanopartículas de Au mediante una reacción hidrotermal para producir CSN de Au @ CdS. Luego, las nanovarillas de CdS se cultivan en la superficie de las CSN de Au @ CdS a través de un método solvotermal mixto para producir las nanoestructuras jerárquicas de Au @ CdS-CdS. La l-cisteína y la etilendiamina juegan un papel importante en la síntesis de nanoflores de Au @ CdS-CdS. l-cisteína, que posee tres grupos funcionales (SH, COOH, NH ₂ ), sirve como fuente de azufre y como agente de enlace para compensar el desajuste de la red entre los cristales de Au y CdS [32]. La fase cristalina podría controlarse mediante la introducción de etilendiamina como reactivo guía de estructura en el crecimiento de nanovarillas de CdS [33]. Además, es muy difícil para nosotros sintetizar nanoflores de Au @ CdS-CdS agregando coloides de Au, Cys / Cd ²⁺ mezcla y etilendiamina juntos en las mismas condiciones. Por lo tanto, el intermedio de Au @ CdS CSN es necesario para la síntesis de nanoflores de Au @ CdS-CdS, porque la superficie de la cáscara de CdS no es lisa y estas protuberancias se convierten en los "sitios de crecimiento" para el crecimiento epitaxial de las nanovarillas de CdS.

Ilustración esquemática de los procesos de síntesis de nanoflores de Au @ CdS-CdS

Morfología y estructura de muestra

Las imágenes SEM de las nanopartículas en cada procedimiento se muestran en la Fig. 2a-c. Las nanopartículas de Au mostraron que eran de tamaño uniforme y estaban bien dispersas. Los CSN de Au @ CdS se mostraron en la Fig. 2b en la que rara vez se observaron nanopartículas únicas de Au o CdS. La superficie de la cáscara de CdS estaba serrada y las protuberancias se podían observar en la imagen TEM del inserto. Como se muestra en la Fig. 2c, los nanocristales de Au @ CdS-CdS se presentaron como nanopartículas similares a flores bien definidas con una buena dispersión. La Figura 2d mostró la imagen TEM de Au @ CdS CSN con capa gruesa de CdS (indicada como Au @ CdS de espesor). La Figura 2e mostró la imagen TEM de nanoflores de Au @ CdS-CdS. Puede verse que las nanovarillas de CdS 1D crecieron epitaxialmente en la superficie de las CSN de Au @ CdS. El diámetro y la longitud de la nanovarilla de CdS fue de aproximadamente 16 nm y 40 nm, respectivamente. La imagen HR-TEM de las nanoflores de Au @ CdS-CdS se muestra en la Fig. 2f. El espaciado de celosía de 0,34 nm en nanobarras era coherente con los planos cristalinos (002) de wurtzita CdS. Las nanovarillas de CdS preparadas eran monocristales con una dirección de crecimiento preferencial de [001], el eje c [34]. El análisis de EDS confirmó además la composición elemental de las nanoflores de Au @ CdS-CdS, como se muestra en la Fig. 2g, que indicó la presencia de los elementos de Cd, S y Au. En la Fig. 2h se muestran nanocristales de CdS con tamaño uniforme. Además, los colores de la solución de coloides de Au, Au @ CdS delgado, Au @ CdS-CdS nanoflores, contrapartes de CdS y Au @ CdS de espesor fueron vino tinto, púrpura, verde, amarillo y verde, respectivamente, como se muestra en la Fig. . 2i.

un , b , h Imágenes SEM de nanopartículas de Au, Au @ CdS con capa delgada y contrapartes de CdS, respectivamente. d Imágenes TEM de Au @ CdS con caparazón grueso. c , e , f , g Imagen SEM, TEM, HR-TEM y perfil EDS de nanoflores de Au @ CdS-CdS. yo Fotografías de sus colores de solución

Los patrones de XRD de las muestras obtenidas en el proceso de síntesis de nanaoflores de Au @ CdS-CdS se muestran en la Fig. 3. Se observaron picos de XRD de nanopartículas de Au y los picos a 2θ =38.2, 44.2 y 64.75 se debieron a (111 ), (200) y (220) planos, respectivamente del cristal fcc Au (JCPDS 04-0784). Para los cristales de CdS, los picos en 2θ =25, 26.5, 28.2, 43.8, 47.8 y 51.9 se debieron a (100), (002), (101), (110), (103) y (112) planos de el cristal de wurtzita CdS (JCPDS 41-1049). Se observaron picos de difracción de cristales de fcc Au y wurtzita CdS en los patrones XRD de las nanoflores de Au @ CdS CSN y Au @ CdS-CdS, respectivamente. Cabe señalar que la intensidad del pico de difracción del plano cristalino (002) fue mucho mayor que la de otros picos en nanocristales de Au @ CdS-CdS. Esto indicó que el pico de difracción del plano cristalino (002) es prominente y las nanovarillas de CdS se hicieron crecer a lo largo de la dirección [001], lo que estaba de acuerdo con el resultado de HR-TEM.

Patrones XRD de Au, CdS, Au @ CdS CSN y Au @ CdS-CdS nanoflores

Propiedades ópticas de la muestra

Las propiedades ópticas de las cinco muestras se analizaron mediante mediciones de UV-Vis, como se muestra en la Fig. 4. La posición del borde de la banda de los coloides CdS era inferior a 500 nm. Los coloides de Au de 50 nm exhiben una absorción de resonancia de plasmón superficial (SPR) centrada en 530 nm. El recubrimiento de las nanoesferas de Au con una fina capa de CdS dio como resultado un desplazamiento hacia el rojo del pico del plasmón a 568 nm. Con el aumento del grosor de la cáscara de CdS, la posición de SPR se desplazó aún más hacia el rojo a 623 nm y 635 nm en las nanoflores de Au @ CdS de espesor y Au @ CdS-CdS, respectivamente. Los resultados experimentales mostraron que con el aumento del grosor de la capa de CdS, el pico de absorción SPR de las nanopartículas de Au exhibió un desplazamiento rojo continuo, porque la posición SPR del metal dependía del tamaño del metal, la forma y el medio circundante. Se observaron fenómenos similares en Au @ SiO ₂ , Au @ Cu ₂ O y Au-Fe ₃ O ₄ sistemas híbridos de nanoestructura [35,36,37]. La posición del borde de la banda de las nanoflores de Au @ CdS-CdS alcanzó los 850 nm, lo que podría recolectar mejor la región visible de la luz solar (400-760 nm) para mejorar la actividad fotocatalítica.

Los espectros de absorción UV-Vis de las muestras:homólogos de CdS, nanopartículas de Au y nanoflores de Au @ CdS CSN y Au @ CdS-CdS, respectivamente

Propiedades de transferencia de carga inducida por luz

Los espectros de fotoluminiscencia (PL) de las nanoflores de Au @ CdS-CdS sintetizadas, CSN de Au @ CdS, contrapartes de CdS y coloides de Au se muestran en la Fig. 5a. Los coloides de oro tenían un pico PL débil a ~ 600 nm. El espectro PL de las contrapartes de CdS mostró una banda de emisión dominante a 530 nm y un pico de hombro más pequeño a 598 nm. La banda a 530 nm podría atribuirse a la típica emisión excitónica de banda-banda de CdS. El hombro a 598 nm podría deberse a la emisión atrapada que surgió de defectos estructurales en el cristal de CdS. Sin embargo, la intensidad espectral PL de la estructura híbrida se redujo significativamente y la emisión radiativa del CdS en las nanoflores de Au @ CdS-CdS se extinguió más que en los CSN de Au @ CdS. Dado que el nivel de Fermi de Au se ubicó en + 0,5 V en relación con el electrodo de hidrógeno normalizado (NHE), fue más bajo que el nivel de la banda de conducción de CdS (- 1,0 V frente a NHE). Después de la excitación de CdS, los electrones libres en la banda de conducción se transferirían al núcleo de Au debido a la diferencia de energía [32, 38]. El mecanismo de transferencia de carga fotoinducida condujo a una disminución en la probabilidad de recombinación de agujeros de electrones y a la supresión de la emisión de excitones en CdS. La probabilidad de recombinación de electrones y huecos fotogenerados fue mayor en los CSN de Au @ CdS, probablemente debido al alto contenido de CdS. Las nanoestructuras híbridas de tipo flor Au @ CdS-CdS proporcionan una plataforma de investigación ideal para el estudio del mecanismo de transferencia de carga fotoinducida para la heterounión metal-semiconductor. Los resultados de la respuesta de fotocorriente transitoria obtenida de nanoflores de Au @ CdS-CdS, Au @ CdS de espesor y contrapartes de CdS se muestran en la Fig. 5b. Fue fácil observar que la fotocorriente sobre Au @ CdS-CdS mejoró mucho en comparación con la de Au @ CdS de espesor y sus homólogos de CdS. La fotocorriente mejorada sobre el nanocompuesto Au @ CdS-CdS implicó una separación más eficiente de los pares de agujeros de electrones fotoinducidos y una vida útil más larga de los portadores de carga fotogenerados que la del CdS en blanco, lo que fue beneficioso para su actividad fotocatalítica.

un Los espectros PL de coloides de Au, Au @ CdS de espesor, Au @ CdS-CdS y contrapartes de CdS, respectivamente. b Comparación de la respuesta de fotocorriente transitoria de las nanoflores de Au @ CdS-CdS, Au @ CdS de espesor y contrapartes de CdS irradiadas con luz visible de λ ≥ 400 nm en 0,2 M Na ₂ SO ₄ solución acuosa sin sesgo versus Ag / AgCl

Aplicación de materiales

Las nanoflores Au @ CdS-CdS tienen una capacidad mejorada de captura de luz visible y propiedades de separación de carga fotoinducidas, que tienen un valor potencial en ciertas aplicaciones. La actividad fotocatalítica de Au @ CdS-CdS bajo una irradiación de 400-780 nm se detectó utilizando el tinte Rhodamine 6G como objetivo de fotodegradación. A modo de comparación, las nanopartículas de Au, las contrapartes de CdS y el Au @ CdS de espesor también se probaron en las mismas condiciones. La Figura 6a fue el espectro de absorción de UV-Vis de las soluciones de R6G bajo diferentes tiempos de irradiación utilizando nanoflores de Au @ CdS-CdS. La intensidad del pico de absorción de la solución de R6G disminuyó rápidamente con el tiempo de iluminación, y su pico de absorción característico también cambió de 528 nm a 507 nm. Después de 40 minutos, la concentración de R6G casi no cambió, lo que sugiere que la reacción de degradación se completó. La Figura 6b mostró el cambio normalizado de la concentración de soluciones de R6G con nanopartículas de Au, contrapartes de CdS y nanoflores de Au @ CdS gruesas y Au @ CdS-CdS. Sin catalizador, el cambio de concentración de R6G podría ser insignificante. Entre los catalizadores, la tasa de fotodegradación de las nanoflores de Au @ CdS-CdS fue significativamente más rápida que la de otros materiales. Después de 40 min, el 86% de la solución de R6G se degradó en el sistema de nanoflores de Au @ CdS-CdS, mientras que solo el 71%, 46% y 12% de la solución de R6G se degradó en las contrapartes de Au @ CdS de espesor, CdS y Sistema de nanopartículas de Au, respectivamente.

un Espectros de absorción de soluciones de R6G en diferentes tiempos de irradiación mediante el uso de nanoflores de Au @ CdS-CdS como fotocatalizador bajo irradiación de 400-780 nm. b C _t / C ₀ versus gráficos de tiempo de irradiación para la fotodegradación de R6G en presencia de diferentes fotocatalizadores

Como se ve en la Fig. 6b, las nanoestructuras híbridas exhibieron una actividad fotocatalítica superior en comparación con las correspondientes de un solo componente. La incrustación de nanocristales metálicos plasmónicos en nanoestructuras semiconductoras mejoró en gran medida el rendimiento fotocatalítico de este último a través del LSPR del primero [39, 40]. La luz concentrada y dispersa de las nanopartículas de oro contribuyó a incrementar la absorción de luz del CdS, lo que llevó a generar más excitones. La heterounión entre Au y CdS promovería la separación y transferencia de carga. Además, la tasa fotocatalítica de las nanoflores de Au @ CdS-CdS fue obviamente más alta que la de Au @ CdS de espesor, aunque tenían el mismo tamaño y un rango de absorción espectral similar. Esto podría estar relacionado con la morfología especial de las nanoflores de Au @ CdS-CdS que tenían una superficie específica más grande, lo que significa que podría proporcionar más sitios de reacción. Con la misma masa, el área de superficie de las nanoflores era más de 4,67 veces mayor que la de las nanoesferas. Los cálculos detallados se muestran en el archivo adicional 1. Por lo tanto, las nanoflores de Au @ CdS-CdS tienen una excelente actividad fotocatalítica entre todas las muestras.

Hay varios mecanismos primarios, como el mecanismo de campo cercano, la dispersión de la luz y la inyección de electrones calientes, que pueden describirse para la reacción fotocatalítica mejorada con plasmón. Para probar el rango de absorción expandido de las nanoflores de Au @ CdS-CdS, ya sea que mejore la actividad fotocatalítica o no, realizamos pruebas fotocatalíticas bajo la iluminación de λ =600–780 nm. La Figura 7a mostró la absorción de UV-Vis de R6G degradado por nanoflores de Au @ CdS-CdS bajo la iluminación de λ =600–780 nm. La actividad fotocatalítica para degradar R6G por cuatro fotocatalizadores se muestra en la Fig. 7b. Después de 60 min de irradiación, la degradación de las nanopartículas de Au, las contrapartes de CdS, las nanoflores de Au @ CdS de espesor y las de Au @ CdS-CdS fue del 9,8%, 15%, 34% y 45%, respectivamente. La tasa de fotodegradación en los sistemas de nanoestructuras híbridas fue más rápida que la de los cristales de un solo componente. La actividad fotocatalítica de las nanoestructuras híbridas mejoró mediante el rango de absorción expandido porque el CdS no se excitó cuando la luz incidente por encima de 516 nm. Mientras que el pico de absorción SPR de las nanopartículas de Au en las nanoflores de Au @ CdS-CdS fue de aproximadamente 650 nm. Bajo la iluminación de 600-780 nm, se generaron electrones calientes a partir de Au y se transferirían a la banda de conducción de CdS durante la relajación [41, 42]. Para evaluar más a fondo la durabilidad y la reutilización de estos fotocatalizadores, la misma muestra se centrifugó y se redispersó en 20 ml de H ₂ O que contiene 10 ⁻⁵ M R6G para múltiples pruebas de ciclismo. La Figura 8a demostró que la eficiencia de la fotodegradación de R6G permanece casi sin cambios durante los tres ciclos de prueba consecutivos, lo que sugiere la alta estabilidad de las nanoestructuras de Au @ CdS-CdS.

un Espectros de absorción de soluciones de R6G en diferentes tiempos de irradiación mediante el uso de nanoflores de Au @ CdS-CdS como fotocatalizador con irradiación de 600–780 nm. b C _t / C ₀ versus gráficos de tiempo de irradiación para la fotodegradación de R6G en presencia de diferentes fotocatalizadores

un El ciclo se ejecuta para la degradación fotocatalítica del colorante R6G sobre las nanoflores de Au @ CdS-CdS bajo irradiación de luz visible (400–780 nm). b Dos mecanismos de separación de carga para nanoflores de Au @ CdS-CdS bajo irradiación de 400–780 nm y 600–780 nm, respectivamente

Tanto el Au plasmónico como el CdS semiconductor de banda prohibida estrecha son sensibles a la luz visible en la nanoestructura de Au-CdS. Por lo tanto, se espera que existan dos mecanismos de transferencia y separación de carga fotoinducidos distintos en las nanoflores de Au @ CdS-CdS dependiendo de la energía de excitación incidente, como se muestra en la Fig. 8b. Para un caso específico, si solo se excita el CdS, los electrones se transferirán desde la banda de conducción del CdS al Au. De manera similar, si solo se excita Au, los electrones saltarán del estado de plasmón superficial de Au a la banda de conducción de CdS. Pero el caso se vuelve más complicado cuando tanto Au como CdS se excitan juntos. La transferencia de electrones en ambos sentidos es posible, aunque lo más probable es la transferencia de semiconductor a metal [43, 44, 45]. Las mayores probabilidades de separación de cargas mejorarán la actividad fotocatalítica de nanoestructuras híbridas de metal-semiconductor, porque los electrones y huecos separados tendrán altas probabilidades de participar en reacciones catalíticas. Por lo general, los orificios pueden oxidar los contaminantes orgánicos o las moléculas de agua para formar ^· OH, y al mismo tiempo, los electrones fotogenerados son capturados fácilmente por las sustancias oxidantes u otras sustancias activas para producir O ₂ ^{· -} . El O ₂ ^{· -} y ^· Los OH tienen altas eficiencias de oxidación y excelentes actividades químicas, que pueden oxidar la gran mayoría de los colorantes orgánicos. La síntesis de nanoflores jerárquicas de Au @ CdS-CdS proporcionará una nueva perspectiva para el diseño racional y la síntesis controlada de nanoestructuras híbridas con altas propiedades fotocatalíticas.

Conclusión

Se prepararon con éxito nanoflores jerárquicas de Au @ CdS-CdS mediante un método escalonado. En los nanohíbridos obtenidos, las nanovarillas de CdS se cultivaron epitaxialmente en la superficie de las CSN de Au @ CdS. Las nanoflores de Au @ CdS-CdS exhibieron una excelente actividad fotocatalítica hacia la degradación de R6G bajo la irradiación de λ =400-780 nm y λ =600-780 nm, respectivamente. Las nanoflores jerárquicas Au @ CdS-CdS tenían tres ventajas:primero, la heteroestructura mejoraba la separación y transferencia de pares de electrones-huecos fotogenerados; segundo, la estructura jerárquica proporciona más sitios de reacción; y tercero, el rango de absorción ampliado mejoró la capacidad de capturar la luz. Además, propusimos un posible mecanismo para la síntesis escalonada de nanoflores de Au @ CdS-CdS, que podría usarse para preparar otros nanohíbridos de metal-semiconductor con morfología compleja para futuros campos de energía limpia y restauración ambiental.

Abreviaturas

CSN:: Nanopartículas núcleo-capa
Cys:: l-cisteína
Cys / Cd ²⁺ :: l-cisteína-Cd ²⁺
EDS:: Espectrómetro de dispersión de energía
En:: Etilendiamina
FE-SEM:: Microscopio electrónico de barrido por emisión de campo
HR-TEM:: Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución
NP:: Nanopartículas
PL:: Fotoluminiscencia
TEM:: Microscopio electrónico de transmisión
UV-Vis:: Ultravioleta visible
XRD:: Difracción de rayos X

Efectos de la estructura de contacto tipo p mallada en el efecto de extracción de luz para diodos emisores de luz ultravioleta ultravioleta profunda de chip giratorio Un fotocatalizador compuesto de ZnO / Fe3O4 / g-C3N4 reciclable magnéticamente ternario para la fotodegradación eficiente de tinte monoazo

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias