Degradación Fotocatalítica Mejorada de Oxitetraciclina por Nanocompuestos WO₃/Grafeno y Análisis de Dispositivo de Mecanismos Doping Fotoinducido

Resumen

WO₃ integrado con grafeno (GR) ha emergido como fotocatalizador altamente efectivo para diversas aplicaciones. Sin embargo, las vías exactas de transferencia de portadores de carga durante fotocatálisis permanecen elusivas debido a complejas interacciones interfaciales. En este estudio, fabricamos películas estratificadas WO₃/GR y las caracterizamos mediante Raman, UV-Vis y SEM. Los resultados demuestran que grafeno p-dopado mejora significativamente propiedades estructurales y ópticas del compuesto WO₃/GR. La actividad fotocatalítica se evaluó mediante degradación UV del antibiótico oxitetraciclina. Voltametría cíclica reveló mayor fotocorriente y mayor resistencia impedancia para películas WO₃/GR crecidas directamente sobre láminas Cu, contrastando con catalizadores WO₃ convencionales. Para sondear el mecanismo subyacente, fabricamos dispositivos WO₃/GR de gran área sobre sustratos Si vía proceso CVD modificado y comparamos con dispositivos referencia WO₃. El doping fotoinducido fue evidente en mediciones corriente-voltaje, donde la fotocorriente fue menor que la corriente oscura y la foto-resistencia superó la resistencia oscura —comportamientos que difieren marcadamente de WO₃ puro. Este trabajo establece nuevo marco para analizar transferencia de carga en fotocatalizadores WO₃/GR y proporciona insights sobre su rendimiento superior.

Introducción

Aprovechar energía solar para producción limpia de electricidad, notablemente mediante fotocatálisis de separación agua, se ha vuelto piedra angular tecnología sostenible. Fotocatalizadores eficientes y bajo costo como WO₃ y TiO₂ han atraído atención significativa. La formación de compuestos semiconductor —especialmente incorporando grafeno— ofrece ruta prometedora para mejorar separación portadores carga y así eficiencia fotocatalítica. La red bidimensional panal única del grafeno confiere resistencia mecánica excepcional, conductividad eléctrica y estabilidad química, haciéndolo socio ideal para semiconductores óxido.

Informes recientes han destacado híbridos WO₃/GR como fotocatalizadores líderes para separación agua y degradación contaminantes, atribuidos a resistencia fotocorrosión y transporte electrónico eficiente. Investigación extensa ha explorado mecanismos por los cuales grafeno mejora desempeño WO₃, incluyendo comportamiento aceptor electrones que suprime recombinación electrón-hueco y formación heterouniones Z-esquema que facilitan actividad visible.

Aunque estos estudios proporcionan insights valiosos, la dinámica precisa de transferencia carga foto-generada en WO₃/GR permanece incompletamente entendida. Técnicas espectroscópicas avanzadas y mediciones nivel dispositivo son necesarias para desentrañar papel doping fotoinducido y redistribución carga interfacial.

Sección Experimental

Fabricación Películas

Películas grafeno gran área crecidas sobre láminas Cu via deposición vapor químico (CVD) usando metano. Grafeno transferido a sustratos SiO₂/Si grabando Cu con solución acuosa Fe(NO₃)₃. Capa 50 nm WO₃ depositada desde polvo WO₃ sobre oblea Si limpia (275 nm SiO₂) bajo atmósfera argón. Electrodos Cr/Au (5/50 nm) patternados por fotolitografía, deposición haz electrones y lift-off. Película control WO₃ sin grafeno preparada idénticamente.

Caracterización

Bandas prohibidas determinadas desde espectros absorción UV-Vis (Shimadzu UV-2600). Morfología y microestructura examinadas por FE-SEM JEOL JSM-7600F. Espectros Raman registrados en sistema Witec (láser 532 nm) baja potencia evitar daño muestra.

Pruebas Fotocatalíticas

Degradación fotocatalítica oxitetraciclina (15 mg L⁻¹) en 20 mL suspensiones bajo irradiación lámpara Hg 250 W (365 nm). Suspensión equilibrada oscuridad 1 h antes exposición UV 160 min. Absorción UV-Vis monitoreada tiempo evaluar degradación.

Mediciones Electroquímicas

Todas pruebas electroquímicas usaron configuración tres electrodos (CHI 604E). WO₃/GR/Cu y WO₃/Cu como electrodos trabajo, Pt foil contraelectrodo, Ag/AgCl (KCl saturado) referencia, calibrado a RHE. Voltametría barrido lineal (0.1 V s⁻¹, +0.20 a −0.20 V vs RHE) y espectroscopía impedancia (100 kHz–0.1 Hz, 40 mV sobrepotencial) en 0.5 M H₂SO₄. Datos ajustados a circuito Randles simplificado.

Caracterización Optoelectrónica

Mediciones fotocorriente en estación sonda vacío usando analizador Agilent 1500 A, lámpara 253 nm excitación UV.

Resultados y Discusión

Características Película WO₃/GR

Figura 1 ilustra ruta síntesis CVD y morfología resultante. Imágenes SEM (Figuras 1b–1c) revelan superficie WO₃/GR uniforme, lisa con grietas ~100 nm. Mapeo elemental (Figuras 1d–1f) confirma distribución homogénea W y O, mientras C confinado regiones grietas, indicando grafeno reside bajo capa WO₃.

Espectros Raman (Figura 2a) muestran bandas D (~1370 cm⁻¹) y G (~1599 cm⁻¹) características compuesto, con ratio I_G/I_D 1.2 —menor que 2.0 grafeno prístino— indicando mayor densidad defectos por procesamiento alta temperatura. Desplazamiento hacia arriba banda G y banda 2D (~2700 cm⁻¹) confirma doping tipo-p grafeno por WO₃. Espectros UV-Vis (Figura 2c) revelan absorción visible mejorada y banda prohibida estrechada de 3.88 eV (WO₃) a 3.68 eV (WO₃/GR), sugiriendo mejor separación electrón-hueco.

Degradación Antibiótico Oxitetraciclina

Pruebas fotocatalíticas bajo irradiación UV 365 nm muestran WO₃/GR degrada oxitetraciclina más rápido que WO₃ puro (Figura 3). Concentración sigue cinética pseudo-primer orden: ln(C/C₀) = k t, con constantes k_WO₃ = −0.0045 min⁻¹ y k_WO₃/GR = −0.0054 min⁻¹, indicando mejora 20%.

Comportamiento Electroquímico Materiales Estratificados

Voltametría cíclica (Figuras 4a–4b) demuestra WO₃/GR/Cu exhibe menor sobrepotencial (−0.08 V) y mayor fotocorriente (8.5 mA) comparado WO₃/Cu (−0.06 V, 4 mA). Espectroscopía impedancia electroquímica (Figuras 4c–4d) muestra resistencia transferencia carga (R_et) reducida para WO₃/GR, confirmando transporte electrónico más eficiente bajo iluminación UV.

Comportamientos Transferencia Carga Dispositivo Compuesto WO₃/GR

Mediciones dispositivo (Figura 5) revelan fotocorriente WO₃/GR (~106× mayor) aún menor que corriente oscura, mientras foto-resistencia supera resistencia oscura —sello distintivo doping fotoinducido. En contraste, dispositivo WO₃ puro comporta semiconductor convencional.

Análisis estructura banda (Figura 6) ilustra fotones UV generan pares electrón-hueco en WO₃; electrones transfieren a grafeno, dejando defectos cargados positivamente en WO₃ que modulan nivel Fermi grafeno. Este foto-doping mejora separación cargas y reduce recombinación, impulsando rendimiento fotocatalítico.

Conclusión

Películas estratificadas WO₃/GR exhiben degradación fotocatalítica superior oxitetraciclina bajo luz UV, debido a doping tipo-p grafeno que promueve separación cargas. Estudios electroquímicos y dispositivo confirman doping fotoinducido y transporte electrónico mejorado. Estos hallazgos proporcionan marco mecánico claro para diseñar fotocatalizadores basados grafeno con eficiencia mejorada.

Abreviaturas

CVD

Deposición vapor químico

EF

Energía Fermi

GO

Óxidos grafeno

GR

Grafeno

IG/ID

Ratio intensidad pico D a pico G

RG

Resistencia grafeno

rGO

Óxidos grafeno reducidos

RW

Resistencia WO₃

RWG

Resistencia WO₃/grafeno

SEM

Microscopio electrónico barrido

UV

Ultravioleta

VB

Banda valencia