CdS-Nanopartikel-modifizierte α-Fe2O3/TiO2-Nanostab-Photoanode für effiziente photoelektrochemische Wasseroxidation

Hintergrund

Um das schwerwiegende Problem der Umweltverschmutzung und der begrenzten Ressourcen fossiler Energieträger zu lösen, wurde die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff als eine der vielversprechendsten Strategien für die Solarenergieumwandlung angesehen. Seit dem ersten Bericht über die PEC-Wasseroxidation basierend auf TiO₂ [1], TiO₂ hat aufgrund seiner stabilen PEC-Eigenschaften, seiner starken optischen Reaktion und der geeigneten Energiebandposition viel Aufmerksamkeit als Photoanodenmaterialien für die PEC-Wasseroxidation auf sich gezogen [2, 3]. Die PEC-Leistung von reinem TiO₂ Photoanode wird stark durch die langsame Wasseroxidationskinetik eingeschränkt, die von der schlechten Fähigkeit zur Trennung photogenerierter Ladungsträger und der unzureichenden Lichtabsorptionsfähigkeit herrührt [4, 5].

Daher wurden verschiedene Strategien verfolgt, um die PEC-Wasseroxidationsleistung von reinem TiO₂ . zu verbessern B. Oberflächenmodifizierung [6], Quantenpunktsensibilisierung und Heteroübergangskonstruktion [7, 8]. Ein effizientes Verfahren zur Verbesserung der Trennleistung photogenerierter Ladungsträger besteht darin, eine heterostrukturierte Photoanode zu konstruieren. Konstruieren eines Heteroübergangs zwischen TiO₂ und andere Metalloxid-Halbleiter mit angepassten Energiebandstrukturen (wie Co₃ O₄ /TiO₂ [9] und ZnIn₂ S₄ /TiO₂ [10, 11]) kann die Trennung photogenerierter Elektronen und Löcher effektiv erleichtern; daher die PEC-Wasserspaltungsleistung des unberührten TiO₂ kann natürlich verbessert werden. Unter verschiedenen Metalloxid-Halbleitern ist Hämatit (α-Fe₂ O₃ ) gilt aufgrund der geeigneten Bandlücke (~ 2.0 eV) für die Sonnengewinnung, der hervorragenden Stabilität und der geringen Kosten als vielversprechendes Photoanodenmaterial [12]. Darüber hinaus ist der theoretische Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) von α-Fe₂ O₃ kann 15,3 % erreichen, bei einer Photostromdichte von 12,6 mA cm ^− 2 bei 1,23 V vs. reversible Wasserstoffelektrode (RHE) unter der Standard-Sonnenbestrahlung [13]. Daher konstruiert man α-Fe₂ O₃ /TiO₂ heterostrukturierte Photoanode kann nicht nur die Ladungsträgertrennungsleistung in TiO₂ . verbessern sondern auch den Lichtabsorptionsbereich von TiO₂ . effektiv erweitern . Inzwischen ist α-Fe₂ . nach neuesten Forschungsergebnissen O₃ Photoanoden leiden unter einer kurzen Elektron-Loch-Paarlebensdauer und Lochdiffusionslänge (2–4 nm), was zu einer hohen Rekombinationsrate von photogenerierten Ladungsträgern führt und die Verbesserung der PEC-Leistung behindert [12]. In diesem Fall, um die PEC-Wasserspaltungsleistung von Fe₂ . weiter zu verbessern O₃ /TiO₂ Photoanoden, einige Halbleiter mit schmaler Bandlücke, wie CdS [14, 15] und PbS [16], können gekoppelt werden, um die Trennung photogenerierter Ladungsträger zu erleichtern. Darunter CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ heterostrukturierte Photoanode gilt als vielversprechende Wahl mit angepasster Bandlücke und erweitertem Lichtabsorptionsbereich. Außerdem kann der Trägertransportprozess effektiv verbessert werden, da photogenerierte Träger schnell an der Grenzfläche von CdS/Fe₂ . getrennt werden können O₃ /TiO₂ , wodurch die Trägerrekombinationsraten stark verringert werden.

Um eine fortschrittliche Elektrode für PEC-Wasserspaltungssysteme zu konstruieren, sollten die Elektrodenmaterialien außerdem Eigenschaften wie eine ausreichende Einfangfähigkeit des einfallenden Lichts und Tunnel für den Ladungstransport aufweisen. Im Vergleich zu allgemeinen planaren Photoanoden zeigen eindimensionale (1D) Nanostab(NR)-Array-Photoanoden eine gute Einfallslichtsammelleistung aufgrund der verbesserten Mehrfachstreuprozesse [17], was zu einer verbesserten PEC-Wasseroxidationsleistung führen würde. Außerdem wird berichtet, dass das 1D-NR-Array auch eine ausgezeichnete Ladungsträgertransportleistung aufweist, da die photogenerierten Ladungsträger direkt entlang des NR transportieren können, wodurch eine direkte Ladungsträgerrekombination an der Kristallgrenze effektiv vermieden werden kann [18]. Um die Oberfläche solcher 1D-NR-Arrays weiter zu vergrößern, die mehr PEC-Reaktionsstellen bringen und die PEC-Leistung verbessern können, wird auch 1D-NR mit verzweigten Nanostrukturen erwartet [19]. Eine solche integrierte Architektur bietet einen langen optischen Weg für eine effektive Lichtsammlung, eine kurze Diffusionsstrecke für einen hervorragenden Ladungstransport und eine große Oberfläche für eine schnelle Grenzflächenladungssammlung, was für die Verbesserung der PEC-Leistung von großem Vorteil ist. Daher wäre es von besonderem Interesse, ein CdS-modifiziertes Fe₂ . zu entwickeln O₃ /TiO₂ Heterostruktur-NR-Array für die PEC-Wasseroxidation.

Hier berichteten wir über eine einfache sukzessive Ionenschichtadsorption und -reaktion (SILAR)-hydrothermale Methode zur Synthese von CdS-modifiziertem Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Array für effiziente PEC-Wasseroxidation. UV-Vis-Studie bestätigt CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Das NR-Array weist eine hervorragende optische Reaktionsleistung mit einem offensichtlich erweiterten Lichtabsorptionsbereich auf. Ein verbesserter Ladungstransferprozess und eine verringerte Ladungsrekombinationsrate können mittels PL-Spektrum und EIS-Plots nachgewiesen werden. Angewandt als Photoanode für die PEC-Wasseroxidation, CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Array weist eine stark erhöhte Photostromdichte von 0,62 mA cm ^− 2 . auf (1,23 V vs. RHE) in alkalischem Elektrolyt im Vergleich zu reinem TiO₂ (0,32 mA cm ^− 2 bei 1,23 V vs. RHE). Es wird angenommen, dass der Syntheseweg und die Anwendung von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Das derzeit berichtete NR-Array ist von großer Bedeutung und kann in anderen photovoltaischen und photoelektronischen Geräten angewendet werden.

Methoden

Herstellung von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Heterostrukturierte NR-Photoanode

Synthese von TiO₂ NR-Array

Um TiO₂ . zu synthetisieren NR-Array auf dem FTO-Glas wurde das FTO in ein Rechteck geschnitten und nacheinander mit entionisiertem Wasser, Aceton und Ethanol gereinigt. Dann wurde das FTO in den Autoklaven gegeben, der eine gemischte Lösung aus entionisiertem Wasser (20 ml), Salzsäure (20 ml) und Titanisopropoxid (1,1 ml) enthielt, und 6 h bei 160 °C gebacken. Nach der Reaktion wurde das FTO mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen und dann 0,5 h lang bei 450 °C an Luft getempert.

Synthese von Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Array

Um α-Fe₂ . zu züchten O₃ auf TiO₂ NR, wie erhalten TiO₂ NR-Array wurde in eine gemischte Lösung von FeCl₃ . gegeben (15 ml, 0,1 M) und NaNO₃ (15 ml, 0,5 M) und dann in den Autoklaven überführt. Erhitzen auf 100 °C für 2 h, der Autoklav wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und das FTO-Substrat wurde mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen. Schließlich wurde das FTO-Substrat 1 h lang bei 450 °C an Luft getempert.

Synthese von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR

Das erhaltene α-Fe₂ O₃ /TiO₂ Das NR-Array wurde mit einer Ethanollösung von Mercaptopropinsäure (MPA, 0,3 M) über Nacht bei 50 °C vorbehandelt und dann mit Ethanol gewaschen, um überschüssiges MPA zu entfernen. Um eine CdS-Schicht abzuscheiden, wird ein einfaches sukzessives Ionenschicht-Adsorptions- und -Reaktionsverfahren (SILAR) angewendet. Das vorbehandelte NR-Array wurde nacheinander 30 s lang in vier verschiedene Lösungen getaucht, darunter Cd(NO₃ )₂ ·4H₂ O (Ethanol, 0,1 M), reines Ethanol, Na₂ S·9H₂ O (Methanol, 0,2 M) bzw. reines Methanol. Der SILAR-Prozess wurde fünfmal wiederholt und dann wurde das Substrat mit Methanol gewaschen, um das zusätzliche CdS zu entfernen.

Materialcharakterisierung

Die Phasenstrukturen wurden durch Röntgenpulverdiffraktometer (XRD) in einem 2θ-Bereich von 20 bis 80° charakterisiert. Die Morphologie der Produkte wurde mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) angehängter energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) untersucht. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bilder wurden mit Tecnai 20 U-Twin-Geräten aufgenommen. Die Absorptions- und Photolumineszenzspektren (PL) wurden mit TU-1900 bzw. Hitachi U-4100 getestet.

Photoelektrochemische Leistungscharakterisierung

Die PEC-Wasseroxidationsleistung wurde mit der elektrochemischen Station CHI660E mit einem Drei-Elektroden-Modus charakterisiert. Der aufgetragene Elektrolyt bestand aus 1 M NaOH. Vor dem Test wurde das System 30 Minuten lang mit Argon durchströmt, um das im Elektrolyten gelöste Gas zu entfernen. Die Linear-Sweep-Voltammogramme (LSV) und die chronoamperometrische I-t Kurven wurden unter Standard-Sonnenlichtbeleuchtung (100 mW cm ^− 2 .) aufgenommen ). Mott-Schottky-Plots wurden im Dunkeln bei einer Wechselstromfrequenz von 1,0 kHz gemessen.

Anschließend wurde das Elektrodenpotential mit der Nernst-Gleichung in das RHE-Potential umgerechnet:

wo E _RHE war das umgerechnete Potenzial vs. RHE, E _Ag/AgCl war das gemessene Potential gegenüber der Ag/AgCl-Elektrode und E ^o _Ag/AgCl = 0,1976 V bei 25 °C.

Ergebnis und Diskussion

Struktur- und Morphologiecharakterisierung

Die Phasenstrukturen der synthetisierten Produkte sind durch die XRD-Muster in Abb. 1 gekennzeichnet. Wie in Abb. 1a gezeigt, ist das Rutil-TiO₂ Nanorod-Arrays (NR) werden erfolgreich synthetisiert. Die Beugungspeaks bei 36,0°, 44,1°, 54,3°, 62,7°, 64,0°, 65,4° und 69,8° entsprechen gut (101), (210, (211), (002), (310), (221 .). ) und (112) Ebenen von Rutil-TiO₂ (JCPDS. 21-1276). Nach Abscheidung von Fe₂ O₃ , können die zusätzlichen XRD-Beugungspeaks bei 32,9° und 45,2° auf die (222)- und (332)-Ebenen von Fe₂ . indiziert werden O₃ (JCPDS. 39-0238). Der SILAR-Prozess wird angewendet, um CdS-Nanopartikel zu züchten, die Beugungspeaks bei 26,4°, 28,2°, die gut den (002)- und (101)-Ebenen von CdS entsprechen (JCPDS. 65-3414) bestätigen das erfolgreiche Wachstum von CdS-Nanopartikeln auf Fe ₂ O₃ /TiO₂ . Das REM-Bild in Abb. 1b zeigt, dass TiO₂ NRs werden gleichmäßig auf dem FTO-Substrat mit einem Durchmesser von 50 nm gezüchtet. Die NR-Oberfläche ist relativ glatt. Nach dem Wachstum von Fe₂ O₃ auf der Oberfläche von TiO₂ , der Durchmesser von Fe₂ O₃ /TiO₂ wird größer und steigt auf 60 nm an. Außerdem wird die Oberfläche der NRs viel rauer. Eine weitere Abscheidung von CdS-Nanopartikeln kann zu einer Vergrößerung des Durchmessers des Fe₂ . führen O₃ /TiO₂ zusammengesetzte NR. Um die Elementverteilung des erhaltenen CdS/Fe₂ . weiter zu bestätigen O₃ /TiO₂ NR, die Cross-View-EDS-Mapping-Bilder werden aufgezeichnet und in Zusatzdatei 1:Abbildung S1, Zusatzdatei 2:Abbildung S2 angezeigt. Es ist ersichtlich, dass Ti-, Fe-, Cd- und S-Elemente gleichmäßig auf die Proben verteilt sind.

a Die XRD-Muster und b REM-Aufnahmen von TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR und CdS/Fe₂ O₃

Das HRTEM-Bild und das ausgewählte Elektronenbeugungsmuster (SAED) von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR sind in Abb. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die beiden TiO₂ und Fe₂ O₃ sind gut kristallisiert und die CdS-Nanopartikel wachsen auf der Oberfläche von Fe₂ O₃ . Die Gitterabstände von 0,31, 0,27 und 0,21 nm können gut der (101), (222) und (210)-Ebene von CdS, Fe₂ . entsprechen O₃ , und TiO₂ , bzw. (Abb. 2a). Die Beugungsringe aus dem aufgezeichneten SAED-Muster in Abb. 2b sind zu sehen, die gut auf (101), (210)-Ebenen von Rutil-TiO₂ . indiziert werden können , (222), (332) Ebenen von Fe₂ O₃ , bzw. (002), (101) Ebenen von CdS. Die TEM-Ergebnisse stimmen gut mit den XRD-Charakterisierungsergebnissen überein.

a HRTEM-Bild von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR. Der markierte d-Abstand von 0,31 nm entspricht gut der (101)-Ebene von CdS, der d-Abstand von 0,27 nm entspricht gut der (222)-Ebene von Fe₂ O₃ und der d-Abstand von 0,21 nm entspricht gut der (210)-Ebene von TiO₂ . b Ausgewähltes Bereichselektronenbeugungsmuster von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR, die Beugungsringe entsprechen den (002), (101) Ebenen von CdS, (222), (332) Ebenen von Fe₂ O₃ und (101), (210) Ebenen von TiO₂

Die chemische Zusammensetzung und die Valenzzustände von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Hybrid-NRs werden durch XPS-Spektren untersucht. Abbildung 3a zeigt die Übersichtsspektren, die Existenz von Ti-, Fe-, O-, Cd- und S-Elementen wird demonstriert. Das Erscheinungsbild von Element C wird dem kohlenstoffbasierten Sicherheitsbehälter zugeordnet. Für das Ti 2p XPS-Spektrum in Abb. 3b können diese zwei getrennten Peaks bei 458,2 und 464,2 eV Ti 2 p_3/2 . zugeordnet werden und 2 p_1/2 von TiO₂ [20]. Das XPS-Spektrum von Fe 2p ist in Abb. 3c dargestellt. Es sind zwei deutliche Peaks bei 710,6 und 724,10 eV zu sehen, die gut Fe 2 p_3/2 . entsprechen und 2 p_1/2 Peaks von α-Fe₂ O₃ [21]. Das XPS-Spektrum von O 1s auf Kernebene ist in Abb. 3d dargestellt, wobei der Peak bei 531,2 eV der Ti-O-Bindung zwischen Titan und Sauerstoff und der Peak bei 531,9 eV der Fe-O-Bindung zwischen . zugeschrieben wird Eisen und Sauerstoff [20, 21]. Abbildung 3e zeigt das XPS-Spektrum von Cd, das dem Cd 3d_5/2 . zugeschrieben wird bei 405,2 eV. Das XPS-Spektrum von S 2P ist in Abb. 3f [22] dargestellt. Der mittlere Peak wird in zwei Peaks von S 2p_1/2 . aufgeteilt und 2p_3/2 bei 161,5 und 162,6 eV [22].

a XPS-Spektren von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Probe, b XPS-Spektren von Ti 2p einschließlich Ti 2p_1/2 und Ti 2p_3/2 , c XPS-Spektren von Fe 2p einschließlich Fe 2p_1/2 und Fe 2p_3/2 , d XPS-Spektren von O 1s einschließlich Fe-O-Bindung und Ti-O-Bindung, e XPS-Spektren von Cd 3d_5/2 , und f XPS-Spektren von S 2p einschließlich S 2p_1/2 und S 2p_3/2

Abbildung 4a zeigt die Absorptionsspektren verschiedener Photoelektroden. TiO₂ zeigt eine typische Absorptionsbandkante bei 400 nm, die auf die intrinsische Bandlückenabsorption von TiO₂ . zurückgeführt werden kann (3.2 eV). Nach Kopplung mit Fe₂ O₃ , Fe₂ O₃ /TiO₂ zeigt eine verbesserte Absorption im sichtbaren Lichtbereich bei etwa 540 nm. Die Verlängerung der Absorptionsbandkante ist auf die sichtbare empfindliche Komponente von Fe₂ . zurückzuführen O₃ (2,0–2,2 eV). Nach weiterer Modifikation von CdS-Nanopartikeln kann die Lichtabsorptionskante weiter auf 580 nm verlängert werden. Es bestätigt, dass die Kopplung von TiO₂ mit Fe₂ O₃ und CdS kann die Lichtabsorptionseigenschaft effektiv auf den sichtbaren Lichtbereich abstimmen. Das Photolumineszenz-(PL)-Spektrum wird verwendet, um den Einfluss des Einbaus von CdS und Fe₂ . zu untersuchen O₃ im CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Hybrid auf dem Transport- und Rekombinationsverhalten photogenerierter Träger. Je niedriger die Intensität des PL-Peaks ist, desto höher ist die Trenneffizienz der photogenerierten Trägerpaare in den Proben. Abbildung 4b zeigt die PL-Spektren von TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Proben. Es ist offensichtlich, dass Fe₂ O₃ /TiO₂ NR erreicht eine niedrigere Ladungsträgerrekombinationsrate als reines TiO₂ , und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR erzielt die beste Transportleistung des Spediteurs.

a UV-Vis-Absorptionsspektren und b PL-Spektren von TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Proben

Um diese Schlussfolgerung weiter zu bestätigen, werden die pikosekunden-aufgelösten Fluoreszenz-Transient-Plots getestet und als zusätzliche Datei 3 dargestellt:Abbildung S3. Die durchschnittliche Lebensdauer τ wird berechnet nach τ = (B₁ τ₁ [2] + B ₂ τ ₂ [2])/(B₁ τ₁ + B₂ τ₂ ) und die Zeitkonstante der Fluoreszenztransienten bei 511 nm ist in der Zusatzdatei 4:Tabelle S1 [23] aufgeführt. Es ist zu erkennen, dass nach der Modifizierung von unberührtem TiO₂ mit Fe₂ O₃ , wird die Lebensdauer des photogenerierten Trägers verlängert. In Verbindung mit CdS kann die Trägerlebensdauer weiter verbessert werden. Dieses Ergebnis zeigt offensichtlich, dass die Ladungstrennungsleistung durch die Bildung von CdS/Fe₂ . effektiv verbessert werden kann O₃ /TiO₂ Mehrfachverbindung.

Der mögliche Trägertransportprozess ist in Abb. 5 dargestellt. Im CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ ternäres System, da sowohl die Leitungsbandposition als auch die Valenzbandposition von CdS höher sind als die von Fe₂ O₃ , werden die photoinduzierten Elektronen in CdS in das Leitungsband von Fe₂ . transportiert O₃ , während die photoinduzierten Löcher im Valenzband in Fe₂ O₃ wird zu CdS transportiert. Für die entworfene abnormale Typ-II-Heterostruktur zwischen Fe₂ O₃ /TiO₂ , die Leitungsbandposition von Fe₂ O₃ ist höher als die von TiO₂ . Unter Sonnenlichteinstrahlung erzeugen photoangeregte Elektron-Loch-Paare beides in TiO₂ und Fe₂ O₃ . Photogenerierte Elektronen im Leitungsband von Fe₂ O₃ bewegt sich sofort in das Valenzband von TiO₂ mit den photoerzeugten Löchern zu rekombinieren, wodurch die Trenneffizienz von photoerzeugten Löchern innerhalb von Fe₂ . stark verbessert wird O₃ und verbessert die Effizienz der photogenerierten Elektroneninjektion in TiO₂ [24, 25]. Dies impliziert, dass die Kopplung von TiO₂ mit Fe₂ O₃ und CdS kann die Rekombinationsrate der photogenerierten Trägerpaare effektiv reduzieren. Inzwischen sind die photogenerierten Elektronen in TiO₂ zur Gegenelektrode, wo die Reduktionsreaktion stattfindet. Die abnormale Typ-II-Heterostruktur zwischen Fe₂ O₃ /TiO₂ spielt eine wichtige Rolle bei der verbesserten PEC-Wasseroxidationsleistung.

Die relativen Bandpositionen von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ ternäres System

Abbildung 6 zeigt Linear-Sweep-Voltammogramme (LSV) und chronoamperometrische I-t Kurven von CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , und TiO₂ Proben. Wie in Fig. 6a gezeigt, nimmt die Photostromdichte von Photoanoden unter Beleuchtung nach der Kopplung mit α-Fe₂ . allmählich zu O₃ und CdS-Nanopartikel und das CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Probe weist die größte Photostromdichte von 0,61 mA cm ^− 2 . auf bei 1,2 V vs. RHE, das ist fast das Doppelte von bloßem TiO₂ Probe. Ich-t Kurven bei einem Bias-Potential von 1,2 V vs. RHE unter zerhackter Beleuchtung sind in Fig. 6b gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Proben unter zerhackter Beleuchtung eine ausgezeichnete Stabilität und ein gutes optisches Ansprechverhalten aufweisen. CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Die NR-Probe behält eine Photostromdichte von etwa 0,6 mA cm ^– 2 . bei , was den LSV-Kurven entspricht.

a LSV-Kurven von TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Beleuchtung der NR-Proben in 1 M NaOH, b chronoamperometrischer I-t Kurven bei einem Vorspannungspotential von 1,2 V unter zerhackter Beleuchtung

Die EIS-Messung wird unter Beleuchtung durchgeführt und die Nyquist-Plots sind in Abb. 7a und Zusatzdatei 5:Abb. S4 dargestellt. Sie zeigen, dass die Nyquist-Plots zwei Halbkreise mit einem Kontaktreihenwiderstand (R _s ) auf dem FTO-Substrat. Der kleine Halbkreis in den Nyquist-Plots wird dem Ladungstransportwiderstand an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche zugeschrieben, und der große Halbkreis repräsentiert den Ladungstransferwiderstand bezogen auf den Elektronentransport/die Rekombination innerhalb der Photoanodenmaterialien. Der Schichtwiderstand (R _s ) des Substrats, den Ladungsübergangswiderstand der Gegenelektrode (R _ct1 ) und der Ladungsübergangswiderstand (R _ct2 ) wurden von der Zview-Software simuliert und die entsprechenden Daten sind in Zusatzdatei 6:Tabelle S2 dargestellt. Die angepasste R _s und R _ct1 die Werte für alle Proben sind aufgrund der gleichen Konfiguration und der verwendeten Wachstumssubstrate ähnlich, während die R _ct2 Werte zeigen offensichtlich Variationen von 1079,5, 880,6 und 679,5 Ω für TiO₂ , Fe₂ O₃ /TiO₂ , und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ , bzw. Es ist ersichtlich, dass nach der Modifikation von TiO₂ mit Fe₂ O₃ und CdS wird die Kinetik des Ladungstransfers an der Grenzfläche stark verbessert.

a EIS-Spektren, gemessen bei einem Vorspannungspotential von 1,2 V unter Beleuchtung und b Mott-Schottky-Plots, aufgenommen mit einer Frequenz von 1 KHz im Dunkeln für das TiO₂ NR, Fe₂ O₃ /TiO₂ NR und CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Proben

Die Mott-Schottky-Plots der so erhaltenen Proben sind in Abb. 7b aufgelistet. Die aus den Mott-Schottky-Plots ermittelten Steigungen werden zur Abschätzung der Ladungsträgerdichte nach folgender Gleichung verwendet [26]:

Nd = \( \frac{2}{e_0{\varepsilon \varepsilon}_0}\times \left[\frac{dV}{d\left(1,/,{C}^2\right)}\right] \)

wo e ₀ ist die elektronische Ladung, ε ist die Dielektrizitätskonstante der Probe, ε ₀ die Permittivität des Vakuums, Nd die Donatordichte und V ist die angelegte Spannung. Im Allgemeinen bedeutet eine relativ kleinere Steigung eine höhere Ladungsträgerdichte.

Das Flachbandpotential kann durch die folgende Gleichung abgeschätzt werden:

Das Flachbandpotential (E _fb ) wird durch das x . bestimmt Achsenabschnitt einer linearen Anpassung an den Mott-Schottky-Plot, 1/C ² , als Funktion des angelegten Potentials (E ). Darüber hinaus eine bemerkenswerte kathodische Verschiebung des flachen Potentials von 0,44 V für TiO₂ Probe auf 0,36 V für CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Probe wurde beobachtet. Dies deutet auf eine größere Ansammlung von Elektronen im Heteroübergang hin und spiegelt eine verringerte Ladungsrekombination wider.

Es sollte beachtet werden, dass die PEC-Wasseroxidationsleistung einer synthetisierten CdS/Fe2O3/TiO2-Probe mit einigen verwandten Arbeiten vergleichbar ist. Sharma et al. berichtetes Fe-TiO₂ /Zn-Fe₂ O₃ dünne Filme mit einer Leistung von 0,262 mA cm ^− 2 bei 0,95 V (gegen SCE) [27], während FTO/Fe₂ O₃ /ZnFe₂ O₄ Photoanode erreicht eine Photostromdichte von 0,4 mA cm ^− 2 [28]. Außerdem für das gemeldete Fe₂ O₃ /TiO₂ Nanoröhren-Photoanoden, eine Photostromdichte von 0,5 mA cm ^− 2 erreicht wird [29, 30]. Beim Vergleich mit den verwandten Arbeiten ist ersichtlich, dass CdS/Fe₂ . erhalten wurde O₃ /TiO₂ Photoanode erzielt hier eine hervorragende und zuverlässige PEC-Wasserspaltungsleistung.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird eine einfache sukzessive Ionenschichtadsorptions- und -reaktion (SILAR)-Hydrothermalmethode entwickelt, um CdS-modifiziertes Fe₂ . herzustellen O₃ /TiO₂ NR-Array für effiziente PEC-Wasseroxidation. UV-Vis-Studie bestätigt CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ Das NR-Array weist eine hervorragende optische Reaktionsleistung mit einem offensichtlich erweiterten Lichtabsorptionsbereich auf. Angewandt als Photoanode für die PEC-Wasseroxidation, CdS/Fe₂ O₃ /TiO₂ NR-Array-Photoanode weist eine stark erhöhte Photostromdichte von 0,62 mA cm ^− 2 . auf (1,23 V vs. RHE) in alkalischem Elektrolyt im Vergleich zu reinem TiO₂ (0,32 mA cm ^− 2 bei 1,23 V vs. RHE).