Bi2Se3-sensibilisierte TiO2-Nanoröhrenfolien für den photogenerierten kathodischen Schutz von Edelstahl 304 unter sichtbarem Licht

Hintergrund

Als wichtige Konstruktionswerkstoffe werden rostfreie Stähle aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit bei bedeutenden Projekten in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Allerdings können rostfreie Stähle ernsthafte Korrosion erleiden, wenn sie in bestimmten aggressiven Umgebungen, wie z. B. in sauren Umgebungen, sowie unter chloridhaltigen oder Hochtemperaturbedingungen verwendet werden [1,2,3,4]. In den letzten Jahrzehnten wurden umfangreiche Forschungen und Anwendungen des traditionellen Korrosionsschutzverfahrens entwickelt, einschließlich Beschichtungen [5, 6], Verwendung einer Opferanode [7] und kathodischem Fremdstromschutz [8, 9]. Ein umweltfreundlicher und langlebiger Korrosionsschutz bleibt jedoch ein wichtiges Ziel. Als neue Korrosionsschutztechnologie wurde der photokathodische Schutz erstmals 1995 von Yuan und Tsujikawa vorgeschlagen [10], bevor er von Korrosionsforschern auf sich aufmerksam gemacht wurde [11,12,13,14].

Titandioxid (TiO₂ .) ) ist ein wichtiges photoelektrisches Material mit guten photoelektrischen Umwandlungs- und Photokatalyseeigenschaften und wird aufgrund seiner geringen Kosten, Ungiftigkeit und stabilen chemischen Eigenschaften häufig in Katalysatoren [15], Solarzellen [16] und Gassensoren [17] verwendet. TiO₂ und TiO₂ -basierte Verbundwerkstoffe werden für den photogenerierten kathodischen Schutz verwendet:eine vielversprechende Technik zum Korrosionsschutz, die in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht hat [18,19,20,21,22,23]. Die Bandlücke (3,2 eV) von TiO₂ beschränkt die Photoreaktion nur auf den ultravioletten Bereich, was den Nutzungsgrad der Sonnenenergie erheblich senkt. Außerdem photoinduzierte Ladungsträger in bloßem TiO₂ Nanopartikel zeigen eine sehr kurze Lebensdauer aufgrund der schnellen Rekombination von photoangeregten Elektron-Loch-Paaren, was den photokathodischen Schutzeffekt von reinem TiO₂ . verringert Filme. So können die oben genannten Mängel von TiO₂ . überwunden werden ist zu einem viel beachteten Thema geworden. Es wurden viele Studien zur Compoundierung von TiO₂ . durchgeführt mit Nichtmetallelementen (F, N und S) [12, 24, 25], Metallatomen (Fe, Co, Cu und Ce) [26,27,28,29] und einigen Nanohalbleitern mit schmaler Bandlücke (Ag₂ O, ZnSe, WO₃ , CdS, Ag₂ S, CdSe und Bi₂ S₃ ) [30,31,32,33,34,35,36] zur Verbesserung der Ladungsträgertrennung und Lichtausnutzung von TiO₂ .

Wismutselenid (Bi₂ .) Se₃ ) ist ein geschichteter Halbleiter mit direkter Bandlücke und ein wichtiges Mitglied der V₂ VI₃ zusammengesetzte Familie. Es hat einen hohen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und nahinfraroten Lichtbereich mit einer schmalen Bandlücke (0,35 eV) [37]. Als wichtiges Chalkogenid vom n-Typ ist Bi₂ Se₃ besitzt viele wichtige Eigenschaften, wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit [38], bemerkenswerte thermoelektrische Eigenschaft [39], Lichtempfindlichkeit [40], elektrochemische Eigenschaft [41] und Lichtleitfähigkeit [42]. Außerdem ist Bi₂ Se₃ ist ein beliebter topologischer Isolator [43,44,45] und hat die einzigartige Eigenschaft von leitfähigen Oberflächenzuständen und isolierten Volumenzuständen. Hochwertiges Bi₂ Se₃ Nanostrukturen wurden unter Verwendung eines physikalischen Hochvakuum-Abscheidungsverfahrens, chemischer Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, gepulster Laserabscheidung und einer Dampf-Flüssig-Feststoff-Technik bei hoher Temperatur hergestellt [44,45,46,47,48,49]. Diese Synthesemethoden für Bi₂ Se₃ erfordern eine schwierige Herstellung, was zu hohen Produktionskosten führt. In dieser Veröffentlichung werden die obigen Probleme überwunden, indem ein kostengünstiges und einfaches chemisches Badabscheidungsverfahren für Bi₂ . verwendet wird Se₃ Nanoflower-Abscheidung auf TiO₂ . Die Kombination eines n-Bi₂ Se₃ /n-TiO₂ Heteroübergang als effiziente Photoanode wurde zum ersten Mal auf den photogenerierten kathodischen Schutz von 304ss angewendet. Die Morphologie, Struktur und optische Absorptionseigenschaft von Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenbeugung (XRD), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und UV-sichtbare (UV-Vis) diffuse Reflexionsspektren untersucht , bzw.

Methoden

Alle in dieser Studie verwendeten Chemikalien waren von analytischer Qualität und wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet. Alle wässrigen Lösungen wurden unter Verwendung von entionisiertem Wasser hergestellt.

Vorbereitung von TiO₂ Film

Ti-Folien (20 mm × 10 mm × 0,3 mm;> 99,9 % Reinheit) wurden mit einer NH₄ .-haltigen Mischung poliert F (2,25 g), H₂ O (12,5 ml), H₂ O₂ (30 Gew.-%, 30 ml) und HNO₃ (68 Gew. %, 30 ml) und dann wurden die Ti-Stücke mit entionisiertem Wasser und Ethanol gereinigt. TiO₂ Film wurde auf Ti-Folie durch das in der Literatur beschriebene anodische Oxidationsverfahren hergestellt [50]. Die Pt-Platte wurde als Kathode gewählt und die Ti-Folie war die Anode bei 20 V für 1 h in einer Ethylenglykollösung, die NH₄ . enthielt F (0,22 g), H₂ O (4 ml) und Ethylenglykol (40 ml) bei Umgebungstemperatur. Danach wurden die Proben mit entionisiertem Wasser und Ethanol gespült. Schließlich wurden die Proben 2 h bei 450 °C getempert und in Umgebungsluft abgekühlt, um TiO₂ . zu erhalten filmen.

Synthese von Bi₂ Se₃ auf dem TiO₂ Film

Die Bi₂ Se₃ wurde durch das chemische Badabscheidungsverfahren hergestellt. Im experimentellen Verfahren wurden 8 mmol Nitrilotriessigsäure (H₃ NTA) und 0,4 mmol Bi(NO₃ .) )₃ ·5H₂ O wurden zu entionisiertem Wasser (400 ml) gegeben, um das Bismutchelat mit einem Bi ³⁺ . zu bilden Konzentration von 1,0 mmol/l in der gemischten Lösung. Zwei Millimol Ascorbinsäure als Reduktionsreagenz wurden der obigen Lösung zugesetzt, und dann wurde vorsichtig tropfenweise Ammoniumhydroxid zugegeben, bis der pH-Wert der Mischung auf ungefähr 8,6 bis 8,9 eingestellt war und die gemischte Lösung farblos und transparent erschien. Schließlich Na₂ SeSO₃ (20 ml, 30 mmol/l) wurde in die obige Lösung injiziert. In allen obigen Experimenten wurden die wässrigen Lösungen gründlich mit einem Magnetrührer gerührt, um eine homogene Lösung zu erhalten. Dann wird ein TiO₂ Substrat wurde in die endgültige Lösung (40 ml) in einem Becherglas (100 ml) getaucht. Das mit Frischhaltefolie bedeckte Becherglas wurde dann in einen auf 80 °C erhitzten Ofen für 200 Minuten überführt, um das Bi₂ . zu erhalten Se₃ Nanoblume auf dem TiO₂ Substrat. Schließlich wurde die Probe aus dem Becherglas entnommen und mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen und dann an Umgebungsluft trocknen gelassen. Auf diese Weise wird Bi₂ Se₃ -sensibilisiertes TiO₂ Filme wurden erhalten und mit Bi₂ . gekennzeichnet Se₃ /TiO₂ -1.0. Der Einfachheit halber verschiedene Mengen von Bi₂ Se₃ auf TiO₂ Substrate werden als Bi₂ . bezeichnet Se₃ /TiO₂ -γ in dieser Arbeit, wobei γ die Konzentration von Bi ³⁺ . bezeichnet im H₃ NTA und Bi (NO₃ )₃ ·5H₂ O-Lösung. Bei konstant gehaltenen Mengen der anderen Reagenzien, Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0.5 und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 wurden für Bi ³⁺ . erhalten Konzentrationen von 0,5 mmol/l bzw. 0,25 mmol/l. Der Einfluss unterschiedlicher Mengen von Bi₂ Se₃ zu den photoelektrochemischen und photokathodischen Schutzeigenschaften der Verbundfolien wurde in dieser Arbeit untersucht.

Morphologie und Kompositionsanalyse

Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Hitachi S-4800, Japan) wurde verwendet, um die Morphologien der hergestellten Filme zu untersuchen. Zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Bi_{2 Se3 /TiO2 Nanokomposite. UV-Vis DRS (Japan Hitachi UH4150) wurde verwendet, um die Lichtabsorption der Proben zu bestimmen. Die kristalline Phasenzusammensetzung der Proben wurde mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, Deutschland Bruker AXSD8) unter Verwendung von Cu Kα . charakterisiert Strahlung (γ = 1.54056 Å) von 10° bis 80°.}

Photoelektrochemische Messungen

Wie in Abb. 1 gezeigt, wurde ein Kopplungssystem aus Photolyse- und Elektrolysezellen für die photoelektrochemischen Messungen verwendet, und eine Protonenaustauschmembran wurde verwendet, um die beiden Zellen miteinander zu verbinden. Die Photolysezelle enthielt 0,1 mol/l Na₂ . S und 0,2 mol/l NaOH-Mischlösung, die die Rolle eines Opfermittels zur Förderung der Trennung von Elektronen und Löchern spielte [33, 51], während eine 0,5 mol/l NaCl-Lösung als Elektrolyt für die Elektrolysezelle verwendet wurde. In der Elektrolysezelle wurde ein Dreielektrodensystem mit einer Pt-Folie als Gegenelektrode (CE), gesättigter Kalomelelektrode als Referenzelektrode (RE) und 304ss als Arbeitselektrode (WE) verwendet. Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokompositproben, die in die Photolysezelle eingebracht wurden, wurden durch einen Kupferdraht mit einer in die Elektrolysezelle eingetauchten 304ss-Elektrode verbunden. Die Lichtquelle im sichtbaren Lichtbereich wurde mit einer Hochdruck-Xenonlampe (PLS-SXE 300 C, Beijing Perfectlight Company, China) bestrahlt. Die Änderungen des Leerlaufpotentials (OCP) und der Photostromkurven wurden mit einem Gamry Potentiostat/Galvanostat/ZRA-System (GAMRY 3000, Gamry Instruments, USA) vor und während der Lichtbestrahlung gemessen.

Schematische Skizzen des experimentellen Aufbaus für die photoelektrochemische Analyse

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von reinem TiO2 und Bi2Se3/TiO2

Abbildung 2a zeigt typische Topographien von oben und im Querschnitt für TiO₂ Filme, die nach dem Anodisierungsverfahren hergestellt wurden. Das TiO₂ Nanoröhren-Arrays zeigen eine nanoporöse Struktur, die aus gut geordneten und hochdichten Nanoröhren mit einem durchschnittlichen Innendurchmesser und einer Länge von ungefähr 55 nm bzw. 680 nm besteht. Wie in Abb. 2b–d gezeigt, ist das TiO₂ Nanoröhrenoberflächen wurden erfolgreich durch Bi₂ . modifiziert Se₃ über das chemische Badabscheidungsverfahren für verschiedene Konzentrationen von Bi ³⁺ . Für Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, das Bi₂ Se₃ Nanoflocken waren sporadisch verteilt und aggregierten ungleichmäßig über das TiO₂ Nanoröhren (Abb. 2b). Wenn die Konzentration von Bi ³⁺ war 0,5 mmol/l, Bi₂ Se₃ bestand fast ausschließlich aus blumenähnlichen Mustern biegsamer ultradünner Nanoflocken mit einem Durchmesser von ungefähr 800 nm, ohne die Düse des TiO₂ . zu blockieren Nanoröhren oder deren Beschädigung (Abb. 2c). Bi₂ Se₃ Nanoblumen, von denen beobachtet wurde, dass sie gleichmäßig auf der Oberfläche des TiO₂ . verteilt sind zeigten eine interne vernetzte Struktur für die ultradünnen Nanoflocken, die die Lamellenaggregation effektiv verhinderte und eine lange Lebensdauer der Architekturen aufrechterhielt, wie in Abb. 2c gezeigt. Nach der Konzentration von Bi ³⁺ wurde auf 1,0 mmol/l erhöht, Menge und Durchmesser des Bi₂ Se₃ nanoflowers signifikant zugenommen und die Agglomeration von Nanoflowers blockierte die Nanoröhren, wie in Abb. 2d gezeigt. Das entsprechende EDS-Spektrum des Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5-Filme, die in Fig. 2e gezeigt sind, zeigten, dass die charakteristischen Peaks für Ti, O, Bi und Se mit Atomprozentsätzen von Bi und Se von 0,9 % bzw. 1,3 % markiert waren. Es ist bekannt, dass der Messfehler des EDS-Tests mit abnehmendem Gehalt an Testelement zunimmt. Es ist also akzeptabel, dass das Atomverhältnis von Bi und Se nahe 2:3 liegt.

REM-Bilder für a reines TiO₂ , b Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, c Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 und d Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0; e EDS-Spektrum für Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 Filme

Abbildung 3a zeigt die XRD-Spektren für reines TiO₂ (Kurve a) und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 Nanokomposite (Kurve b). Abgesehen von den Ti-Substratpeaks stimmten die Beugungspeaks bei 25,38 °, 38,03 °, 48,01 °, 54,05 °, 55,17 °, 62,71 ° und 70,44 ° gut mit den Gitterebenen (101), (004), (200), (105), (211), (204) und (220) von Anatas TiO₂ , bzw. (JCPDS 21-1272). Außer TiO₂ Peaks wurden die charakteristischen Beugungspeaks bei 29,35 ° und 74,90 ° auf die Gitterebenen (015) und (0216) des rhomboedrischen Kristalls Bi₂ . indiziert Se₃ (JCPDS 33-0214). Es gibt jedoch keinen offensichtlichen Peak von Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 wegen geringem Gehalt an Bi₂ Se₃ abgeschieden auf TiO₂ und die XRD-Spektren stimmten mit den SEM- und EDS-Ergebnissen überein. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde verwendet, um die chemischen Zusammensetzungen und Zustände des Bi₂ . weiter zu bestimmen Se₃ /TiO₂ Nanokomposite. Wie in Abb. 3b gezeigt, zeigte XPS das Vorhandensein von Bi-, Se-, Ti- und O-Komponenten zusätzlich zu C-Verunreinigungen aufgrund einer zufälligen Kohlenwasserstoffkontamination. Abbildung 3c zeigt die Peakpositionen für Ti 2p bei 458,7 und 464,5 eV, was darauf hinweist, dass die Titanoxide hauptsächlich aus TiO₂ . bestanden [52]. Wie in Abb. 3d dargestellt, stimmten die O 1s-Semaphoren mit zwei Gauss-Peaks überein:Das Maximum bei der niedrigeren Bindungsenergie (530,0 eV) wurde dem Gittersauerstoff (O_L ) in Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite und der zweite bei der höheren Bindungsenergie (531,5 eV) wurde aus dem adsorbierten Sauerstoff (O_A ), einschließlich schwach bindender Sauerstoff- oder Hydroxylgruppen. Die Existenz von O_A war auf die Erzeugung von Sauerstoffleerstellen auf der Oberfläche der Nanokomposite zurückzuführen, die die photoelektrischen Umwandlungseigenschaften von Bi₂ . verbessern könnten Se₃ /TiO₂ Nanokomposite im photokathodischen Schutz [53]. Abbildung 3e zeigt, dass die 4f_7/2 asymmetrischer Peak für Bi wurde in zwei Peaks (157,5 und 159,4 eV) aufgelöst, mit dem Bi 4f_5/2 Spektrum ähnlich in zwei Bänder bei 162,8 bzw. 164,7 eV unterteilt. Die Positionen der unteren Peaks (157,5 eV und 162,8 eV) stimmten gut mit denen in Bi₂ . überein Se₃ , wobei die höheren Peaks Wismutoxid bei 159,4 eV und 164,7 eV entsprechen [54, 55]. Daraus kann geschlossen werden, dass während des Syntheseprozesses mit Bi₂ . eine Handvoll Bismutmetall oxidiert wurde Se₃ Modifizieren von reinem TiO₂ . Wie in Abb. 3f gezeigt, wurden die beiden Peaks dem 3d_3/2 . zugeordnet und 3d_5/2 Kernniveaus von Se bei 55,1 bzw. 54,2 eV, was darauf hindeutet, dass Se in Form von Se ^2- . vorlag [56].

a XRD-Muster für reines TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 Nanokomposite; b das gesamte Umfragespektrum, c Ti 2p, d O 1s, e Bi 4f und f Siehe 3d XPS-Spektren für Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 Nanokomposite

Abbildung 4 zeigt die Lichtabsorptionsfähigkeit von reinem TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 Nanokomposite. Die charakteristische Absorptionskante für reines TiO₂ lag aufgrund der Bandlückenenergie von Anatas TiO₂ . bei etwa 380 nm im UV-Bereich (3.2 eV) (Kurve a). Für Bi₂ . wurde eine ausgeprägte Adsorption beobachtet Se₃ /TiO₂ Nanokomposite im Bereich des sichtbaren Lichts (350–800 nm) (Kurve b), mit einer höheren Absorptionsfähigkeit für sichtbares Licht als die von reinem TiO₂ durch den Einbau des Bi₂ Se₃ Nanoblume. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass Bi₂ Se₃ wird aufgrund seiner schmalen Bandlücke (0,35 eV) unter sichtbarem Licht angeregt, wobei Elektronen und Löcher in seinem Leitungsband (CB) und Valenzband (VB) erzeugt werden. Daher ist die Zugabe von Bi₂ Se₃ erhöht effektiv die Absorptionsfähigkeit von sichtbarem Licht von Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite.

UV-sichtbare Absorptionsspektren für TiO₂ (a) und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (b)

Photokathodische Schutzleistung von reinem TiO2 und Bi2Se3/TiO2

Wie in Abb. 5 gezeigt, sind die OCP-Kurven für 304ss gekoppelt mit reinem TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposit-Photoanoden wurden unter intermittierendem sichtbarem Licht gemessen, wobei die OCP-Reaktion auf Beleuchtung veranlasst und für alle gekoppelten Elektroden auf ein negatives Potenzial verschoben wurde. In der Anfangsphase des Lichts zeigten die OCP für alle gekoppelten Elektroden über einen kurzen Zeitraum eine negative Verschiebung, die auf die Übertragung der angeregten Photoelektronen aus dem reinen TiO₂ . zurückzuführen war und Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposit an die 304ss-Elektrode [1, 57]. Anschließend können die relativ stabilen OCP-Werte auf die Ausgleichsrate zwischen der Erzeugung und Rekombination photogenerierter Elektronen zurückgeführt werden [32]. Nach dem Abschalten der Bestrahlung sind die OCP-Werte für das Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite kehrten langsamer zu ihren ursprünglichen Werten zurück als reines TiO₂ . Dieses Phänomen könnte auf den Elektronenpooleffekt von Bi₂ . zurückgeführt werden Se₃ /TiO₂ Nanokomposite, die photoinduzierte Elektronen unter Lichteinstrahlung speichern und diese Elektronen ohne Lichteinstrahlung langsam abgeben können. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht betrug der OCP-Wert für 304ss ungefähr − 450 mV in Verbindung mit TiO₂ . (Kurve a) und die OCP-Werte für 304ss gekoppelt mit Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (Kurve b), Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0.5 (Kurve d) und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 (Kurve c) erreichte − 905 mV, − 996 mV bzw. − 958 mV. Diese Ergebnisse zeigten, dass 304ss kathodisch polarisiert war, sobald es mit Bi₂ . gekoppelt war Se₃ /TiO₂ Nanokomposite und dass ein guter kathodischer Schutz für 304ss durch das Bi₂ . bereitgestellt werden könnte Se₃ /TiO₂ Photoanoden. Wie in Fig. 5d gezeigt, ist der 304ss mit Bi₂ . gekoppelt Se₃ /TiO₂ -0,5 besaß das meiste negative Potential, was darauf hindeutete, dass die beste photokathodische Schutzleistung für 304ss. Dieses Ergebnis könnte daran liegen, dass die aktiven Zentren und das Lichtsammeln mit zunehmendem Bi₂ . zunahmen Se₃ Inhalt. Eine übermäßige Menge an Bi₂ Se₃ Partikel dienten als Rekombinationsstellen für Elektronen und Löcher, was den Ladungstransfer vom Bi₂ . behinderte Se₃ /TiO₂ Nanokomposite bis 304ss.

OCP für 304ss gekoppelt mit reinem TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite in einer 0,5 Mol NaCl-Lösung

Wie in Abb. 6 gezeigt, sind die Kurven der Photostromdichte gegenüber der Zeit für TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite zeigten eine schnelle und reproduzierbare Photoreaktion bei intermittierender Beleuchtung mit sichtbarem Licht, was die photoelektrische Umwandlungsleistung der Materialien widerspiegelte. Der photogenerierte Strom war im sichtbaren Licht aufgrund der schwachen Absorption des sichtbaren Lichts relativ klein (Kurve a). Der photogenerierte Strom stieg jedoch unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht nach der Sensibilisierung von TiO₂ . merklich an von der Bi₂ Se₃ Nanoblume (Kurven b bis d). Die Daten implizierten, dass die Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite in der Lage waren, sichtbares Licht zu nutzen und dass der Heteroübergang zwischen TiO₂ und Bi₂ Se₃ förderten die Trennung von photogenerierten Elektronen und Löchern [58]. Darüber hinaus werden die im Leitungsband des Bi₂ . erzeugten Photoelektronen Se₃ nanoflower lässt sich leicht auf das positivere Leitungsband des TiO₂ . übertragen Nanoröhren unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Nach drei Bestrahlungsintervallen behielt der Photostrom einen relativ konstanten Wert bei und es wurde keine Photostromverschlechterung festgestellt, was die gute photochemische Stabilität des Bi₂ . veranschaulicht Se₃ /TiO₂ Nanokompositfolien. Für verschiedene Konzentrationen von Bi ³⁺ , die Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite zeigten unterschiedliche Intensitäten für die Photostromantwort. Insbesondere die transiente Photostromdichte für Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 (415 μA/cm ² ) war höher als für Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (85 μA/cm ² ) und Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 (160 μA/cm ² ), was darauf hinweist, dass Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0.5 besaß eine ideale Trenneffizienz für die photogenerierten Elektron-Loch-Paare. Die aktiven Zentren und das Lichtsammeln wurden aufgrund des Mangels an Bi₂ . verringert Se₃ Nanoblumen auf der Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokompositfilme, während die Rekombinationsstellen für Elektronen und Löcher in Gegenwart einer übermäßigen Menge an Bi₂ . anstiegen Se₃ Nanoblumen. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht ist die größte photoinduzierte Stromdichte des Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 Photoanode stimmte mit den größten photoinduzierten Potentialabfällen überein, die in Abb. 5 dargestellt sind, was die optimale photokathodische Schutzleistung von Bi₂ . weiter bestätigt Se₃ /TiO₂ -0.5 für 304ss.

Photostromdichte-Zeit-Kurven für reines TiO₂ und Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite in 0,1 mol/l Na₂ S und 0,2 mol/l NaOH-Mischlösung

Abbildung 7 zeigt die photoelektrischen Umwandlungs- und Transportprozesse für das Bi₂ . Se₃ /TiO₂ Nanokomposite. Unter sichtbarem Licht Bi₂ Se₃ Nanoblumen können Photonen leicht absorbieren, da sie adsorbierten Sauerstoff (O_A ) und haben eine schmale Bandlückenbreite (0,35 eV). Wenn die Photonen vom Bi₂ . absorbiert werden Se₃ Nanoblumen werden photoangeregte Elektronen durch Anregung aus dem Valenzband (VB) von Bi₂ . erzeugt Se₃ zum Leitungsband (CB) von Bi₂ Se₃ . Die photoangeregten Elektronen im CB von Bi₂ Se₃ werden zum CB von TiO₂ . verschoben , während die photogenerierten Löcher in der VB von TiO₂ werden auf die VB von Bi₂ . übertragen Se₃ , und werden dann von S ²⁻ . erfasst im Elektrolyten, um sich auf der Oberfläche des Photoanodenfilms in S zu verwandeln. Wenn die photoangeregten Elektronen die Photoanode verlassen und auf 304ss übertragen werden, reagieren sie mit dem Sauerstoffgas und Wasser, um OH ⁻ . umzuwandeln . Außerdem ist Na ⁺ wird von der Elektrolysezelle zur Photolysezelle durch eine Protonenaustauschmembran transportiert, so dass das Kopplungssystem insgesamt elektrisch neutral ist. Als Folge werden die photogenerierten Ladungen effektiv getrennt und die Rekombinationswahrscheinlichkeit für photogenerierte Elektron-Loch-Paare wird verringert. Sobald 304ss photoangeregte Elektronen vom Bi₂ . empfängt Se₃ /TiO₂ Nanokomposit durch den Draht, verschiebt sich das Potenzial von 304ss negativ. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht ist der Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite können die Korrosionsrate von 304ss reduzieren. Daher ist die effiziente Trennung von photoangeregten Elektron-Loch-Paaren in Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite beschleunigen die Redoxreaktion und erzeugen einen effektiven photokathodischen Schutz für 304ss.

Schematische Darstellung der Elektronentransferprozesse in Bi₂ Se₃ /TiO₂

Schlussfolgerungen

In diesem Papier wird TiO₂ Nanoröhren-Arrays wurden durch die Anodisierungsmethode und Bi₂ . hergestellt Se₃ Nanoblumen wurden auf TiO₂ . gezüchtet Nanoröhren durch chemische Badabscheidung. Die Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanokomposite zeigten eine homogene Verteilung und geordnete Eigenschaften. Elektrochemische Tests für die Nanokomposite und reines TiO₂ gekoppelt mit 304ss zeigte, dass die photogenerierte kathodische Schutzleistung des Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites war im Vergleich zu reinem TiO₂ . überlegen . Der OCP-Wert für 304ss gekoppelt mit Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 zeigte eine negative Verschiebung auf - 996 mV bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht aufgrund der aktiven Zentren und der Lichtsammlung von TiO₂ sensibilisiert durch Bi₂ Se₃ . Durch den Vergleich der Ergebnisse der elektrochemischen Tests für drei Bi₂ Se₃ /TiO₂ Nanocomposites, das Nanocomposite, das mit 0,5 mmol/l Bi ³⁺ . hergestellt wurde im Elektrolyten zeigte eine optimale Leistung.

Abkürzungen

304ss:

Edelstahl 304

CB:

Leitungsband

CE:

Die Gegenelektrode

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

H₃ NTA:

Nitrilotriessigsäure

OA:

Adsorbierter Sauerstoff

OCP:

Leerlaufpotential

OL:

Gittersauerstoff

RE:

Die Referenzelektrode

SCE:

Gesättigte Kalomelelektrode

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

UV-Vis:

UV-sichtbare diffuse Reflexionsspektren

VB:

Valenzband

WIR:

Die Arbeitselektrode

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung