WO3/p-Typ-GR-Schichtmaterialien für den geförderten photokatalytischen Antibiotika-Abbau und Vorrichtung zur Aufklärung über Mechanismen

Zusammenfassung

Graphen-verstärktes WO₃ hat sich in letzter Zeit zu einem vielversprechenden Material für verschiedene Anwendungen entwickelt. Das Verständnis des Ladungsträgertransfers während der photokatalytischen Prozesse bleibt aufgrund ihrer Komplexität unklar. In dieser Studie wurden die Eigenschaften des hinterlegten WO₃ /Graphen-Schichtmaterialien wurden mit Raman-Spektroskopie, UV-Vis-Spektroskopie und REM untersucht. Den Ergebnissen zufolge weist p-Graphen die Eigenschaften des WO₃ . auf und verbessert diese /Graphenfilm. Die photokatalytischen Aktivitäten von WO₃ /Graphen-Schichtmaterialien wurden durch den photokatalytischen Abbau von Oxytetracyclin-Antibiotika bei Bestrahlung mit UV-Licht bewertet. Hier wurden mit dem gewachsenen WO₃ . ein höherer zyklischer Voltammetriestrom und ein höherer Widerstand der Impedanzspektren erhalten /Graphen direkt auf Cu-Folien unter UV-Licht mit einem elektrochemischen Verfahren synthetisiert, das sich vom traditionellen WO₃ . unterschied Katalysatoren. Daher ist es dringend erforderlich, den zugrunde liegenden Mechanismus eingehend zu untersuchen. In dieser Studie wurde ein großes Schichtmaterial WO₃ /Graphen wurde mit einem modifizierten CVD-Verfahren auf einem Si-Substrat hergestellt und ein WO₃ /Graphen-Gerät wurde durch Abscheiden eines Goldelektrodenmaterials entwickelt und mit einem WO₃ . verglichen Gerät. Aufgrund von photoinduzierten Dotierungseffekten hat der Strom-Spannungs-Test ergeben, dass der Photowiderstand größer als der Dunkelwiderstand ist und der Photostrom geringer ist als der Dunkelstrom basierend auf WO₃ /Graphen-Schichtmaterialien, die sich deutlich von den Eigenschaften des WO₃ . unterscheiden geschichtetes Material. Hier wurde ein neuer Weg entwickelt, um die Transfereigenschaften von Trägern im photokatalytischen Prozess zu analysieren.

Einführung

Das Sammeln von Sonnenenergie zur Stromerzeugung, eine der vielversprechenden Methoden einer intelligenten und nachhaltigen Entwicklung, hat viele Forschungsinteressen geweckt. Dazu erzeugt die photokatalytische Wasserspaltung aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff, der als saubere Energie eine immer wichtigere Rolle spielt [1]. In dieser Hinsicht sind kostengünstige und hocheffiziente Photokatalysatoren die typischen Vertreter, z. B. WO₃ und TiO₂ [2]. Viele Berichte zeigten, dass die Bildung von Halbleiter-Kompositen aufgrund der verbesserten Ladungsträgertrennung effektiv neue aktive Photokatalysatorsysteme erhalten kann [3]. Graphen (GR), das dünnste und stärkste Material, hat viele außergewöhnliche chemische und physikalische Eigenschaften für seine einzigartige zweidimensionale Struktur mit Waben-Kohlenstoff-Gitter. Komplexes Graphen-Oxid-Halbleitermaterial, z. B. WO₃ /GR, wurde aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Photokorrosionseffekten und seines effizienten Elektronentransportverhaltens als einer der besten Photokatalysatoren in der hocheffizienten photoelektrochemischen Wasserspaltung beschrieben [4, 5]. Daher hat das Hybrid-Nanokomposit aus Graphen-Komplexoxidhalbleitern in den letzten zehn Jahren aufgrund seines enormen Potenzials für verschiedene Anwendungen, z. B. NO₂ ., großes Forschungsinteresse geweckt Sensor, elektrochrome Materialien, Superkondensator und Photokatalysator [6,7,8,9,10,11,12].

Angesichts der überlegenen photokatalytischen Leistung des WO₃ /GR wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um den zugrunde liegenden Mechanismus aufzudecken, dass Graphen WO₃ . verbessert Eigenschaften, die mit der photogenerierten Ladungsübertragung verbunden sind, und es wurden mehrere gut begründete Erklärungen gegeben. Wu et al. dachten, dass Graphen als Elektron-Akzeptor-Material dienen und die Rekombination von photoangeregten Elektron-Loch-Paaren reduzieren und dadurch die Effizienz der Photokonversion erhöhen kann [13]. Darüber hinaus WO₃ Nanostäbchen können einen weiteren möglichen Elektronenweg zwischen WO₃ und gekoppelte rGO-Nanoblätter, wodurch eine ausgezeichnete katalytische Aktivität im sichtbaren Licht für die Wasserstoffproduktion gezeigt und der katalytische Mechanismus des Z-Schemas aufgeklärt wird [14,15,16,17].

Außerdem wurden einige Experimente durchgeführt, um die Mechanismen von Oxidhalbleitermaterialien und Graphen-Hybrid-Nanokompositen zu erklären [18, 19]. Pang et al. nutzten die Sauerstoff-18-Isotopenmarkierungstechnik als leistungsstarkes Werkzeug, um die komplizierten photokatalytischen Mechanismen auf dem TiO₂ . zu analysieren Oberfläche [20]. Kürzlich berichteten mehrere Gruppen, dass Licht verwendet werden kann, um die Ladungsdotierung in Graphen zu erreichen, was das Verständnis und die Verwendung von Graphen-Schottky-Übergängen für Optoelektronik und Elektronik verbessern kann [21, 22]. Darüber hinaus stammt die photoinduzierte Dotierung von einem lichtabsorbierenden Material an Graphen-Heterostruktur-Grenzflächen und hat in letzter Zeit einzigartige Geräteeigenschaften und physikalische Effekte gezeigt. Photogenerierte Ladungen aus der Licht-Materie-Wechselwirkung werden auf Graphen übertragen, was zu einer Anpassung der elektronischen Struktur in Graphen führt. Es ist bemerkenswert, dass dieser kontaktlose Dotierungsansatz, der einfach zu kontrollieren ist, keine zusätzlichen Defekte sicherstellt [23].

In dieser Studie wurden die Schichtmaterialien WO₃ /GR hinterlegt, deren Eigenschaften mit der Raman-Spektroskopie, UV-Vis-Spektroskopie und REM untersucht wurden. Alle Ergebnisse zeigen, dass p-Graphen entsteht und die Eigenschaften des WO₃ . verbessert /GR-Film. Die photokatalytischen Aktivitäten der Schichtmaterialien wurden durch den photokatalytischen Abbau von Oxytetracyclin-Antibiotika unter UV-Licht-Bestrahlung bestimmt. Die Eigenschaften der zyklischen Voltammetrie und der elektrochemischen Impedanzspektren des gewachsenen WO₃ /GR, die direkt auf Cu-Folien unter UV-Licht mit elektrochemischem Verhalten hergestellt wurden, wurden hier erhalten und mit traditionellem WO₃ . verglichen Katalysatoren. Um die mit der photoinduzierten Dotierung verbundenen Ladungstransfermechanismen zu untersuchen, wurden die Stapel aus großflächigen Schichtmaterialien WO₃ /GR wurden auf dem Si-Substrat unter Verwendung eines modifizierten CVD-Ansatzes entworfen und WO₃ /GR und WO₃ Vorrichtungen wurden entwickelt, indem zum Vergleich ein Elektrodenmaterial aus Goldfolie abgeschieden wurde. Die Eigenschaften von WO₃ /GR wurden analysiert und mit denen von WO₃ . verglichen durch photoinduzierte Dotierungseffekte bei der Strom-Spannungs-Prüfung. Das Ladungstransportverhalten von p-Graphen kann modifiziert werden, um die photokatalytische Fähigkeit zu verbessern. Darüber hinaus wurde Graphen als photogenerierter Elektronenakzeptor verwendet und unterdrückte effektiv die Ladungsrekombination im WO₃ /GR geschichtete Materialien.

Experimenteller Abschnitt

Charakterisierung von WO₃ /GR Thin-Flake-Transistor:Zuerst wurden großflächige Graphenfilme in der Größenordnung von Zentimetern auf Kupfersubstraten durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Methan gebildet. Graphenfilme wurden von den Cu-Folien zu SiO₂ . entfernt /Si-Substrat durch Ätzen in einer wässrigen Lösung von Eisennitrat. Die WO₃ Dünnfilm wurde aus 50 nm WO₃ . gebildet Pulver auf einem sauberen Si-Wafer mit einem 275-nm-SiO₂ , Graphen-Oberschicht [24]. Bei der Abscheidung wurde Argon als Schutzgas verwendet. Anschließend wurden die Elektroden (Cr/Au (5/50 nm)) mit Standard-Photolithographie, Elektronenstrahl-Metallabscheidung und Abheben gemustert. Zum Vergleich das reine WO₃ Gerät ohne Graphen wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt.

Die Bandlücken der hergestellten Filme wurden durch Messung der Extinktion unter Verwendung eines UV-Vis-Instruments (UV-2600, SHIMADZU Inc.) erhalten. Die Morphologie und Mikrostruktur der nanostrukturierten Filme wurden mit einem JEOL JSM-7600F Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) bewertet. Raman-Messungen wurden in einem Witec-System in einer Rückstreukonfiguration durchgeführt. Die Anregung erfolgte durch sichtbares Laserlicht (λ = 532 nm). Alle Spektren wurden bei niedriger Leistung aufgenommen, um eine laserinduzierte Modifikation oder Ablation der Proben zu vermeiden.

Photokatalytische Aktivitätstests wurden unter UV-Licht durchgeführt. In einem typischen Aktivitätstest wurde eine definierte Menge Photokatalysator in 20 µl antibiotischer Lösung (Oxytetracyclin, 15 µg/l) suspendiert. Die Suspension wurde 1 h im Dunkeln belassen, um das Adsorptionsgleichgewicht zu erreichen, und die photokatalytische Reaktion wurde 160 min unter UV-Licht gestartet. Die Lichtquelle war eine 250-W-Quecksilberlampe. Durch Messung der Veränderungen des UV-Vis-Absorptionsspektrums als Funktion der Bestrahlungszeit wurde in dieser Studie der Abbau von Antibiotika überwacht.

Elektrochemische Messungen

Alle elektrochemischen Messungen wurden in einem Drei-Elektroden-System für die elektrochemische Workstation CHI 604E (CH Instruments) durchgeführt, in dem WO₃ /GR/Cu-Folie und WO₃ Als Arbeitselektrode diente eine /Cu-Folie, als Gegenelektrode eine Pt-Folie und als Referenzelektrode eine gesättigte Ag/AgCl-Folie. Alle Potentiale wurden durch eine reversible Wasserstoffelektrode (RHE) kalibriert. Lineare Sweep-Voltammetrie mit einer Abtastrate von ~ 0,1 V s⁻¹ , von + 0,20 bis − 0,20 V vs. RHE wurde in 0,5 M H₂ . durchgeführt SO₄ . Die Nyquist-Diagramme wurden bei Frequenzen im Bereich von 100 kHz bis 0,1 Hz bei einer Überspannung von 40 mV erhalten. Um den Serien- und Ladungsübertragungswiderstand zu extrahieren, werden die Impedanzdaten an eine vereinfachte Randles-Schaltung angepasst.

Optoelektronische Messung

Die gesamte elektronische und optoelektronische Charakterisierung wurde in einer Sondenstation im Vakuum und bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Der Photostrom wurde mit dem Agilent 1500 A Halbleiteranalysator aufgezeichnet. Die Lichtanregung wurde durch die 253 nm-Lampe erreicht, die für die UV-Anregung verwendet wurde.

Ergebnisse und Diskussion

Die Charakteristik des WO₃ /GR-Film

Der Abscheidungsprozess von WO₃ /GR und WO₃ Filme durch CVD ist in Fig. 1a gezeigt. Abbildung 1b und c zeigen REM-Fotos des hinterlegten WO₃ /GR-Dünnfilme. Es wird festgestellt, dass die WO₃ /GR-Dünnschichtmaterialien sind hier gleichmäßig und glatt. Darüber hinaus wurden bei der Untersuchung kleine Risslücken mit einer Größe von etwa 100 nm auf der Oberfläche von WO₃ . gefunden /GR. Abbildung 1d, e und f zeigen die elementare Abbildung von C, O und W auf dem WO₃ /GR-Oberfläche. Offensichtlich sind sowohl W als auch O mit einem höheren Prozentsatz gleichmäßig über die Oberfläche verteilt. Da Graphen unterhalb von WO₃ . angebaut wird , Element C findet sich an der Stelle von Risslücken mit einem geringen Prozentsatz [25].

Schema der Synthese und der SEM-Morphologien des WO₃ /GR-Heterostrukturen. a Die 50 nm WO₃ Pulver wird im gleichen Keramikschiffchen an der Einlaufseite des Rohrofens positioniert. b × 60.000 und c × 5000 REM-Bilder. d C e O f WEDS-Elementarkartierung von WO₃ /GR

Abbildung 2a zeigt einen ausgewählten Bereich der Raman-Spektren des WO₃ . /GR, sowie reines WO₃ . Im Allgemeinen weist einschichtiges Graphen zwei Peaks bei fast 1348 cm⁻¹ . auf und 1586 cm⁻¹ , was darauf hindeutet, dass das Intensitätsverhältnis von I_G /I_D Peak ist etwa 2 eines Raman-Spektrums. Ähnliche Peaks im D-Band (ca. 1370 cm⁻¹ ) und G-Band (rund 1599 cm⁻¹ ) wurden in der WO₃ . beobachtet /GR-Komposit. Gemäß den Spektren in Abb. 2a ist der I_G /I_D Verhältnis verringerte sich von 2 für das Graphen auf 1,2 für das WO₃ /GR-Komposit. Je kleiner also I_G /I_D Peak-Intensity-Verhältnis eines Raman-Spektrums, desto höher sind die Defekte und Störungen der graphitisierten Strukturen in der WO₃ /GR-Verbundwerkstoff aufgrund der hohen Temperatur von fast 400°C. Aufgrund des Dehnungsmodus O–W–O in der Probe von WO₃ /GR-Verbund, Raman-Schwingungen zentriert bei 815 cm^− 1 , die Eigenschaft von reinem WO₃ festgestellt wurde, die in der Stichprobe von WO₃ . ständig eingeengt wurde /GR-Komposit. Es ist bemerkenswert, dass die G-Bande von WO₃ /GR war von 1584 auf 1599 cm⁻¹ . gestiegen im Vergleich zu Graphen. Diese G-Band-Hochschaltung war der allgemeine Beweis für die chemische Dotierung von Kohlenstoffmaterialien. Der Trend hier stimmt mit früheren Studien über die p-Dotierung des Graphens überein, die zu einer Hochverschiebung des G-Bandes führt. Gemäß der Raman-G-Band-Verschiebung, Ladungstransfer zwischen dem Graphen und dem WO₃ in der WO₃ /GR-Komposit wurde nachgewiesen [26, 27]. Der 2D-Peak verschob sich zu längeren Wellenlängen, was auch bestätigt, dass das Graphen effektiv p-dotiert war. Das 2D-Band befindet sich bei 2691 cm⁻¹ für reines (undotiertes) Graphen und rund bei 2700 cm⁻¹ für p-dotiertes Graphen bzw. [28].

a Die Raman-Spektren von Proben wie vorbereitet. b Raman-G-Peak-Mapping-Bild von Proben wie vorbereitet. c UV-Vis-Absorptionsspektren von Proben wie vorbereitet. d Bestimmung der Energielücke von Proben

Die Raman-Daten von WO₃ /GR-Komposit wurden in die Intensitätskartierung extrahiert, und Abb. 2b zeigt das Raman-G-Peak-Mapping-Bild des WO₃ . /GR-Komposite aus dem G-Band des Graphens. Die „hellen“ Bereiche mit hoher Intensität veranschaulichen das Vorhandensein von Graphen, und es kann bestätigt werden, dass p-dotiertes Graphen und Defekte in den Schichtmaterialien aufgrund der lokalen hochhellen Bereiche vorhanden sind. Außerdem beziehen sich die „dunklen“ Regionen auf die WO₃ Informationen, die die großflächige Verteilung des Graphens in den Schichtmaterialien darstellen [29].

UV-Vis-Spektren wurden als Schlüsselmethode behandelt, um die Lichtabsorptionseigenschaften von Photokatalysatoren zu erhalten. Um die Interaktion von Graphen und WO₃ . zu analysieren , UV-Vis-Absorptionsspektren wurden wie in Abb. 2c gezeigt aufgenommen. Die Gleichung αhʋ = A × (hν-Eg)^{n /2} verwendet wurde, wobei α, ν, Eg und A sind der Absorptionskoeffizient, die Lichtfrequenz, die Bandlücke bzw. eine Konstante [30]. Die (αhν)^1/2 -hν-Kurven von so hergestellten Proben sind in Fig. 2d gezeigt. Den Ergebnissen zufolge ist die Lichtabsorption von WO₃ /GR im sichtbaren Lichtbereich war empfindlicher als das von reinem WO₃ . Die Mischung von Graphen auf dem WO₃ verbesserte die Absorptionskapazität für das Licht. Im Vergleich zu reinem WO₃ , die Bandlücke von WO₃ /GR wurde von 3,88 auf 3,68 eV verengt (Abb. 2d). Entsprechend der Rotverschiebung und der Verstärkung der Lichtabsorption ist WO₃ /GR weist die verbesserte Aktivität auf, Elektronen und Löcher zu trennen.

Der Abbau von Antibiotika Oxytetracyclin

Die detaillierten Aufgaben, die mit dotiertem Graphen in Oxidhalbleiter-Photokatalysatoren verbunden sind, scheinen kompliziert zu sein, so dass weitere Arbeiten in der Grundlagenforschung in dieser Richtung entwickelt werden. Die photokatalytischen Fähigkeiten von Graphen-basierten Photokatalysatoren können verbessert werden, indem sowohl die elektronische Leitfähigkeit als auch die Ladungsträgermobilität gestärkt werden. Das leitfähige Graphen kann bei der Kopplung von Graphen und Halbleitern die photoangeregten Elektronen als Reservoire aufnehmen. Dementsprechend nahm die Konzentration photoangeregter Elektronen im Halbleiter ab, wodurch ihre reduktiven Korrosionen deutlich unterdrückt wurden [31]. Photokatalytische Aktivität und Reaktionskinetik von WO₃ /GR, WO₃ wurden beim Abbau des Antibiotika Oxytetracyclin mit UV-Licht (365 nm) beobachtet, wie in Abb. 3 gezeigt. Die photokatalytische Aktivität von Komposit mit Photokatalysator und ohne Photokatalysator wurde hier zum Vergleich in UV-Licht bestimmt. Nach einem bestimmten Zeitintervall unter UV-Licht nahm die Spitzenintensität von Oxytetracyclin, die mit den UV-Vis-Absorptionseigenschaften des Oxytetracyclin-Moleküls bei 275 nm verbunden ist, nach 160 min allmählich ab, wie in Abb. 3a und b gezeigt. Im Vergleich zu WO₃ , WO₃ /GR führte zu einem starken Abbau von Oxytetracyclin. Die Kinetik des Oxytetracyclin-Abbaus unter UV-Licht kann durch eine Reaktion pseudo-erster Ordnung erhalten werden, wobei C0 und C initial sind und die Konzentration bei einer gegebenen Abbauzeit t . ist und k ist die Geschwindigkeitskonstante bzw. Das Diagramm von ln(C/C0) wurde als Funktion von t . aufgetragen (Abb. 3c).

$$ \mathrm{In}\left(\mathrm{C}/{\mathrm{C}}_0\right)=kt $$

a UV-Vis-Spektren des Abbaus von Antibiotika in Gegenwart von WO₃ Verbundstoffe. b UV-Vis-Spektren des Abbaus von Antibiotika in Gegenwart von WO₃ /GR-Verbundwerkstoffe. c Kinetik des hergestellten WO₃ und WO₃ /GR

Die Grafik für WO₃ /GR, WO₃ linear angepasst, wobei der Korrelationskoeffizient von R ² und der Wert der Geschwindigkeitskonstanten k (k _leer = − 0.0034 min⁻¹ , $ {k}_{{\textrm{WO}}_3}=-0,0045\ {\min}^{-1}$, $ {k}_{{\textrm{WO}}_3/\ mathrm{GR}}=-0.0054\ {\min}^{-1} $) zeigen die höhere katalytische Aktivität von WO₃ /GR im Vergleich zu WO₃ . Dies liegt daran, dass die Bildung von Heteroübergängen die Trennung von Elektronen und Löchern fördert. Löcher können ^• . erzeugen OH, das als die wichtigste reaktive Spezies für die Oxidationsreaktionen gilt.

Elektrochemisches Verhalten der Schichtmaterialien

Cyclovoltammetrie gilt als Methode zur Analyse der photoelektrokatalytischen Eigenschaften von WO₃ /GR/Cu und WO₃ /Cu-Elektroden zur Reduktion von Wasserstoff, wie in Abb. 4a und b gezeigt. Unter Einwirkung von UV-Licht ist der Strom der Cu-Elektrode unter ultraviolettem Licht (8,5 mA) größer als im Dunkeln (4 mA). Der Strom von WO₃ /Cu-Elektrode zeigte einen leichten Unterschied zwischen einem dunklen Zustand und UV-Licht. Darüber hinaus WO₃ /GR/Cu-Elektrode zeigte bei − 0,08 V ein geringeres Überpotential als WO₃ /Cu-Elektrode bei − 0,06 V. Die Reduktion von Wasserstoff vom Katalysator erzeugte die Reaktion WO₃ Redox-Site. Nach all den obigen Ergebnissen war klar, dass WO₃ /GR/Cu-Elektrode war effizienter und zeigte verbesserte funktionelle Eigenschaften im Vergleich zu WO₃ /Ku. Dies deutete darauf hin, dass die Anwesenheit von Graphen unter UV-Licht zu einem niedrigeren Potentialwert und erhöhten Reduktionsströmen unter photoinduzierten Dotierungseffekten führte, die mehr Elektronen aus WO₃ . anregten zu Graphen.

Elektrokatalytische Anwendung von CVD-synthetisierten Schichtmaterialien WO₃ /GR und WO₃ . a , b CV-Kurven von gewachsenem WO₃ /GR, WO₃ auf Cu-Folie. c , d elektrochemische Impedanzspektren von WO₃ /GR, WO₃ Flocken sowie das Cu-Foliensubstrat

Dabei wurden die Grenzflächeneigenschaften der modifizierten Elektrode, die für die elektrische Leitfähigkeit von großer Bedeutung waren, und die elektrokatalytischen Eigenschaften der modifizierten Elektrode mittels EIS analysiert. Aus der Form des elektrochemischen Impedanzspektrums kann auf die Elektronentransferkinetik und das Diffusionsverhalten geschlossen werden. Der bei höheren Frequenzen erhaltene halbkreisförmige Anteil Ret stellt einen durch Elektronentransfer begrenzten Prozess dar, und der lineare Anteil bei niedrigeren Frequenzen wurde dem begrenzten Massentransfer des so hergestellten Probenions zugeschrieben [32, 33]. Abbildung 4c und d zeigen die Ergebnisse des EIS für Elektroden von WO₃ /GR/Cu und WO₃ /Ku. WO₃ /GR/Cu-Elektrode zeigt einen besseren niedergedrückten Halbkreisbogen als die WO₃ /Cu-Elektrode, die einen ausgezeichneten Diffusionselektronentransferprozess auf dem WO₃ . darstellt /GR/Cu-Elektrodenoberfläche. Unter UV-Licht WO₃ Die /Cu-Elektrode zeigt im Dunkeln immer noch den unteren niedergedrückten Halbkreisbogen (Ret von 50(Z′/Ω)) im Vergleich zu Ret (75(Z′/Ω)). Beachten Sie, dass unter UV-Licht WO₃ /GR/Cu-Elektrode zeigt einen relativ deutlichen Halbkreisbogen (Ret = 42(Z′/Ω)), was auf ein höheres Elektronenübergangswiderstandsverhalten als das von Ret (38(Z′/Ω)) im Dunkeln hinweist. Die Erhöhung des Wertes des Elektronenübergangswiderstands (Ret) aufgrund von photoinduzierten Dotierungseffekten verbesserte das Fermi-Energieniveau von Graphen auf der Elektrodenoberfläche unter UV-Licht. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass Graphen die Elektronentransferrate zwischen der Elektrode und WO₃ . verbessern kann , was mit den CV-Ergebnissen übereinstimmt.

Das Ladungsübertragungsverhalten von WO₃ /GR Verbundgerät

Ladungsübertragungsverhalten in der WO₃ /GR-Schichtmaterialien können unter UV-Licht untersucht werden, wie in Abb. 5 gezeigt. Die typischen I-V- und I-T-Eigenschaften der aus WO₃ hergestellten Vorrichtung /GR-Komposit und das Referenzgerät mit reinem WO₃ wurden im Dunkeln und unter UV-Licht bei 253 nm mit einer Intensität von 0,3 mW/cm² . gemessen wie in Abb. 5a und b gezeigt [34]. Der Photostrom des WO₃ Das zusammengesetzte Gerät /GR war fast 106-mal höher als das des Referenzgeräts aus reinem WO₃ . Beachten Sie, dass der Photostrom geringer war als der Dunkelstrom des WO₃ /GR-Komposit, das sich deutlich vom Referenzgerät aus reinem WO₃ . unterscheidet . Die typischen I-V-Kennlinien des Geräts waren ähnlich wie die I-T-Kennlinien (Abb. 5c, d). Die WO₃ Der /GR-Widerstand R bei optischer Beleuchtung war aufgrund des photoinduzierten Dotierungseffekts größer als der im Dunkeln. Die WO₃ /GR-Widerstand R zeigte bei optischer Anregung und Dunkelheit einen konstanten Wert von etwa Tausend Ohm. Das Referenzgerät, reines WO₃ Widerstand wies immer noch wesentliche Halbleitermerkmale auf [35].

Experimentelle Beobachtung von Merkmalen in WO₃ /GR-Gerät im Vergleich zum reinen WO₃ Gerät. a Photostrom von WO₃ /GR. b Photostrom von WO₃ . c Photoresistenz von WO₃ /GR. d Photoresistenz von WO₃

Abbildung 6 zeigt die Eigenschaften von WO₃ /GR nach photoinduzierter Modulationsdotierung. Aktuelle Route und Gebührenverteilung in der WO₃ /GR-Gerät unter UV-Licht sind in Abb. 6a und b gezeigt. In WO₃ . angesammelte positive Ladungen unter Beleuchtung. Der höhere Strom des WO₃ /GR-Verbundvorrichtung sollte der verbesserten Leitfähigkeit des Verbundstoffs durch GR zugeschrieben werden. Graphen kann einen Schottky-Kontakt an der Schnittstelle mit WO₃ . herstellen , wodurch der Widerstand R . gebildet wird _WG [36]. Das Gerät kann durch die Schaltung modelliert werden, wie in Abb. 6c gezeigt. Wegen WO₃ Widerstand R _W>>(R _WG + R _G ), die Stromstärke des Gerätes wurde von R . bestimmt _WG + R _G . Daher wurden die Leitfähigkeitseigenschaften in Gegenwart von Graphen deutlich verbessert.

Eigenschaften von WO₃ /GR nach photoinduzierter Modulationsdotierung. a , b Aktuelle Route und Gebührenverteilung in der WO₃ /GR-Gerät bei UV-Licht. Positive Ladungen sammeln sich in WO₃ . an unter heller Beleuchtung. Gelb, Cr/Au; grün, WO₃; rot, Graphen; blau, SiO₂; grau, Si. c Ersatzschaltbild des WO₃ /GR-Gerät. d Schema der Bandstruktur des WO₃ /GR-Heterostruktur und Illustration des Photodotierungsmechanismus, bei dem die optische Anregung zuerst Elektronen aus Defekten in WO₃ . anregt . Rote (blaue) Linien repräsentieren das Leitungsband (Valenz). Die angeregten Elektronen treten in das Graphen ein und die positiv geladenen Defekte führen zu einer Modulationsdotierung im Graphen

Schema der Bandstruktur des WO₃ /GR-Hybridverbundstoffe und ein Diagramm des photoinduzierten Dotierungsmechanismus sind in Abb. 4d gezeigt. Die WO₃ /GR-Heterostruktur-Bauelement ohne Lichtbeleuchtung stimmt mit dem vorherigen Ergebnis eines stabilen p-dotierten Graphen-Transistors überein, bei dem Elektronen von der Graphen-Dünnschicht auf WO₃ . übertragen wurden . Anfänglich wurde Graphen im Dunkeln mit Löchern dotiert, und ein elektrisches Feld erschien von Graphen zu Silizium. Wie in Abb. 6d gezeigt, waren einerseits die Elektronen im Valenzband (VB) von WO₃ ., wenn das Gerät unter UV-Licht stand wurden zum Leitungsband angeregt, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen [37,38,39]. Auf der anderen Seite sind Elektronen von Donor-ähnlichen Defekten in WO₃ wurden durch Photonen zum Leitungsband angeregt. Die ionisierten Defekte waren positiv geladen und im WO₃ . lokalisiert . Diese angeregten Elektronen können in beiden Fällen mobil sein, sich auf das Graphen zubewegen und dann in das Graphen eintreten. Es wurde vermutet, dass ein signifikanter photoinduzierter Elektronentransfer von WO₃ . auftrat zu Graphen am WO₃ /GR-Gerät [40].

Die angeregten Elektronen traten in das Graphen ein und die positiv geladenen Defekte führten zu einer Modulationsdotierung im Graphen. Unter dieser Modulationsdotierung im Graphen, WO₃ /GR-Heterojunction entstand. Anschließend zeigen die experimentellen Daten eine Abnahme der Leitfähigkeit mit der Zunahme der Fermi-Energie, EF von Graphen, was zu einer langsamen Abnahme des UV-Photostroms führt. Dies stimmt gut mit dem theoretischen Modell überein [41]. Es wird daher vermutet, dass sich das Transportverhalten des Geräts grundlegend von dem von reinem WO₃ . unterscheidet wenn die WO₃ /GR-Gerät ist Licht ausgesetzt. Von einigen Autoren wurde auch über photoinduzierte Dotierungseffekte berichtet. Tiberjet al. berichteten, dass die Ladungsträgerdichte von Graphen aufgrund der photoinduzierten Dotierung, die durch die Substratreinigungsmethode signifikant beeinflusst wurde, zwischen Loch- und Elektronendotierung fein und reversibel eingestellt werden kann [42]. Juet al. zeigten, dass photoinduzierte Dotierung die hohe Ladungsträgermobilität der Graphen/Bornitrid-Heterostruktur aufrechterhalten kann [43].

Unter dem lichtinduzierten Dotierungseffekt wird die Oberfläche von WO₃ /GR hat als primäre lichtempfindliche Partikel mehr durch Licht erzeugte Löcher als das reine WO₃ Oberfläche unter UV-Licht. Die aktiveren Zentren der WO₃ /GR Oberflächenporen, desto effizienter ist die Verbesserung der Lichtempfindlichkeit [44]. Im Allgemeinen könnte das leitfähige Graphen als Elektronentransportvermittler die Lebensdauer photogenerierter Ladungsträger deutlich verlängern und die Ladungsextraktion und -trennung stärken. Weng et al. stellte das Graphen zusammen−WO₃ Nanostäbchen-Nanokomposite, die die photokatalytische Leistung bei sichtbarem Licht im Vergleich zu bloßem WO₃ . verbesserten Nanostäbchen [45, 46]. Daher sollte untersucht werden, wie der Photoabbauprozess der photoinduzierten Dotierung durch Dotieren von Graphen verbessert werden kann. Sie kann mit der Intensität des UV-Lichts, der Dotierstoffkonzentration usw. zusammenhängen [47, 48]. Chuet al. fabrizierter GR–WO₃ Komposite gemischt mit unterschiedlichen Mengen an Graphen (0, 0,1, 0,5, 1 und 3 Gew.-%). Darüber hinaus basiert der Sensor auf 0,1 wt% GR–WO₃ Komposit weist im Vergleich zu reinem WO₃ . eine gute Selektivität und ein hohes Ansprechverhalten auf [49, 50]. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass der übermäßige Anteil an Graphen, das auf der Oberfläche von WO₃ . absorbiert wird, , wodurch die Menge der aktiven Zentren verringert wird. Anschließend den richtigen Anteil an WO₃ und Graphen kann den besten experimentellen Effekt erzielen. Akhavanet al. analysierte auch die Eigenschaften von TiO₂ /GO (Graphenoxide)-Schichten bei unterschiedlichen Bestrahlungszeiten [51]. Sie fanden heraus, dass GO photokatalytisch reduziert werden kann und die Kohlenstoffdefekte unter Bestrahlung zunahmen, was hier teilweise auf photoinduzierte Dotierung zurückzuführen war [52]. Dementsprechend entwickelt diese Studie einen neuen Weg zur Untersuchung des Ladungsträgertransferverhaltens und der photoinduzierten Dotierungseffekte in Graphen-basierten Photoabbaumaterialien.

Schlussfolgerung

In dieser Studie wurden die photokatalytischen Aktivitäten der Schichtmaterialien durch den photokatalytischen Abbau von Oxytetracyclin-Antibiotika unter UV-Licht bewertet. Ein höherer Strom der zyklischen Voltammetrie und ein großer Widerstand der Impedanzspektren mit dem gewachsenen WO₃ /GR, die durch elektrochemisches Verhalten direkt auf Cu-Folien unter UV-Licht synthetisiert wurden, wurden erhalten, das sich auch von traditionellem WO₃ . unterschied Katalysatoren. Die Eigenschaften von WO₃ /Graphen-Schichtmaterialien wurden mit Raman-Spektroskopie, UV-Vis-Spektroskopie und REM untersucht. Alle Ergebnisse zeigen, dass p-Graphen entsteht und die Eigenschaften des WO₃ . verbessert /GR-Film. Die Stapel von großflächigen WO₃ /GR-Schichtmaterialien wurden auf dem Si-Substrat unter Verwendung eines modifizierten CVD-Ansatzes entworfen und WO₃ /GR und WO₃ Zum Vergleich wurden Filme auf einem Elektrodenmaterial aus Goldfolie hergestellt. Aufgrund von photoinduzierten Dotierungseffekten ergab der Strom-Spannungs-Test, dass der Photowiderstand größer als der Dunkelwiderstand war und der Photostrom niedriger als der Dunkelstrom war, basierend auf WO₃ /GR-Schichtmaterialien, die sich von den Eigenschaften von WO₃ . unterscheiden geschichteten Materialien. Außerdem könnte das Ladungstransportverhalten von p-Graphen modifiziert werden, um die photokatalytische Fähigkeit zu verbessern. Graphene serves as the photogenerated electrons acceptor and effectively suppresses the charge recombination in the WO₃ /GR layered materials. This study is considered a significant advance towards unraveling photocatalytic dynamics processes based on graphene and oxide semiconductor. Hopefully, these results can motivate scientists to explore high efficient catalysts for related applications.