Nanoscale Hybrid Materials for Synergistic Performance in Photocatalytic Applications

Abstract

나노 물질이 가지고 있는 독특한 물성으로 인해 태양 전지, 센서, 연료 전지, 배터리, 연료 전지등과 같은 현재 기술에서 강력한 후보 물질이다. 간단히 말해, 모든 일상 생활에서 나노 물질의 영향을 어느 정도 받는다고 말할 수 있다. 나노 물질이 기존 물질에 비해 가지고 있는 우수한 특성으로 인해, 과학계는 나노 크기 물질의 특성을 더욱 발전시키고 우수한 특성을 보유하고 비용 효율적인 상품화 제품을 형성하기 위한 합성 및 추가로 과학계에 동기부여를 했다. 나노 물질은 제약, 섬유, 농업, 제조업 등 기존의 모든 과학기술산업에 영향을 미치며 기존 제품의 물성과 내구성을 효과적으로 향상시켰다. 확실히, 우리는 나노 물질과 나노 과학이 미래에 더욱 발전할 현대 기술 세계의 초석을 놓았다고 말할 수 있다. CBD(Chemical-Bath Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition), 졸겔(sol-gel), 수열(hydrothermal) 및 용매열(solvothermal) 기술 및 연속 이온 층(successive ionic layer) 흡착 및 반응 (SILAR) 등과 같은 다양한 기술이 나노 물질을 합성하는 데 사용되었다. 위에서 언급한 기술 중, 수열(hydrothermal) 기술은 비용 효율성, 단순성, 복잡한 형태 형성, 손쉬운 취급, 수동 제어 및 고수율의 이점으로 인해 다른 차원 및 morphological 나노 입자들의 합성에 자주 사용된다. 우리는 본래의(pristine) 나노 물질 뿐만 아니라 나노 스케일의 하이브리드 합성을 위해 수열 기술을 활용하였다. 최근, 2차원 구조를 갖는 2차원 graphitic carbon nitride (g-C3N4)는 흥미로운 광전자 특성, 무독성, 안정성 및 비용 효율성으로 인해 큰 관심을 받고 있다. 그러나, 원하지 않은 charge carrier 재결합은 광촉매 효율을 저하시켰다. 본 연구에서, 손쉬운 수열(hydrothermal) 공정을 사용하여 3원(ternary) g-C3N4/rGO/SnO2 나노복합체를 형성하였다. 나노복합체와 관련된 효과적인 광촉매 활성은 다단계 전하 이동을 통한 효과적인 전하 분리(charge separation) 및 더 높은 가시광선 흡광도와 같은 핵심 프로세스의 결합된 효과로 인한 것이라 사료된다. 3원 g-C3N4/rGO/SnO2 복합체는 pristine g-C3N4 및 다른 수열 합성 복합체, 즉 Rhodamine-B(RhB) 염료의 열화로 인한 g-C3N4/rGO 및 g-C3N4/SnO2 와 달리 많은 수의 나노/이종 접합으로 인해 우수한 광촉매 활성을 나타내었다. 최적의 나노복합체 (즉, g-C3N4/5-rGO/SnO2)는 염료 분해 효율의 효과적인 증가를 보여주었다. 물리적, 형태학적, 광학적, 전기화학적, 광촉매적 특성은 X선 회절계, 주사/투과 전자현미경, X선 광전자 분광법, 광발광, FTIR 분광법, UV-Vis 분광법 및 전기화학적 임피던스 스펙트럼에 의해 연구되었다. 이 연구는 효율적인 삼원 나노/이종 접합 광촉매를 구성하기 위해 빛의 흡수 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 이 시스템의 세 가지 구성 요소의 개별 역할을 나타내는 새로운 이종 접합을 제시한다. 유사하게, hierarchical titanium dioxide (TiO2)는 효율적인 광촉매 활성, 저비용, 안정성, 비부식성, 고가용성 및 환경 및 인간에 대한 무독성으로 인해 더 큰 주목을 받게 되었다. 그러나, 약 3.2 eV의 넓은 밴드 갭과 광 생성 전하 캐리어의 높은 재결합 속도를 포함하는 두 가지 주요 단점은 실제 application에서 그 기능을 제한하였다. 이 연구에서 우리는 P25-, p-형 및 n-형 TiO2 나노 입자 위에 황화납(PbS QDS)의 금속 칼코겐화물 기반 양자점(QDs)을 증착하여 P-SILAR(pseudo-successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 통해 hierarchical 나노복합체를 연구하고 가시광선에서 해당하는 광촉매 활성을 연구하였다. 동시에, p-TiO2 및 P25-TiO2와 비교하여 광발광(PL) 스펙트럼에서 입증된 낮은 전하 재조합(charge recombination) 및 EDX 분석에서 입증된 최적의 PbS 증착으로 인해 n-TiO2/PbS hierarchical 나노복합체에 대해 개선된 광전자 특성이 기록되었다. n-TiO2/PbS 계층적 나노복합체는 120분 안에 가시광선에서 74.4% RhB 염료를 분해하였다. 구조적, 형태적, 광촉매적 특성은 주사전자현미경과 투과전자현미경, PL 스펙트럼, UV-Vis 분광광도법, 푸리에 변환 적외선 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 이 연구는 Rhodamine-B 염료의 가시광 활성화 분해에 대한 개선된 광촉매 성능을 가진 P25-, p- 및 n-TiO2/PbS hierarchical 나노복합체에 대한 새로운 이해를 제공할 수 있다. 본 연구에서, p-SILAR 기술을 사용하여 수열 합성뿐만 아니라 n-TiO2/PbS hierarchical 나노복합체로 합성된 나노 크기의 하이브리드 나노복합체(g-C3N4/rGO/SnO2)가 pristine g-C3N4 및 hierarchical TiO2에 비해 향상된 성능을 보이는 것으로 사료된다. 이는 나노 크기의 하이브리드 나노복합체가 광촉매 물질의 광촉매 성능을 향상시키는 데 적합한 방법임을 뒷받침할 수 있다|Due to the unique properties that nanomaterials possess making them strong candidate in current technologies such as solar cells, sensor, fuel cells, batteries, fuel cells etc. In brief every field of life is influenced by nanomaterial to some extent. Due to the superior properties which nanomaterial possess compared to conventional material, further motivated the scientific community to synthesize and make further advancement in the properties of nanoscale materials and to form the commercialized product which possess superior properties as well as be cost-effective. In brief, nanomaterial has influenced all the conventional science and technological industries such as pharmaceutical, textile, agriculture, and manufacturing industry, etc., and effectively enhanced the properties as well as durability of the conventional products. In certainty we can say that nanomaterials and nanoscience have set the stones of the modern technological world which will further make progress in coming years. Different technique has been utilized to synthesize the nanomaterial, such as, chemical-bath deposition (CBD), chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), sol-gel, hydrothermal as well as solvothermal technique and successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) etc. Among the abovementioned techniques, hydrothermal technique is frequently used for the synthesis of different dimensional as well as morphological nanoparticles due to its advantage in cost-effectiveness, simplicity, complex morphological formation, easy handling, manual control as well as high yield. We utilized the hydrothermal technique for the synthesis of nanoscale hybrid as well as pristine nanomaterials. Recently, 2D graphitic carbon nitride (g-C3N4) possessing two-dimensional structure has received great concern by virtue of its attractive optoelectronic properties, nontoxicity, stability, and cost-effectiveness. However, undesirable charge carrier recombination confines its photocatalytic efficiency. In this work, a facile hydrothermal process was used to form ternary g-C3N4/rGO/SnO2 nanocomposite. The effective photocatalytic activity pertained to the nanocomposite was owed to the combined effect of following core processes: effectual charge separation via multistep charge transfers, and higher visible-light absorbance. The ternary g-C3N4/rGO/SnO2 complex demonstrated excellent photocatalytic activity due to large number of nano/heterojunction in contrast with pristine g-C3N4, and the other hydrothermally synthesized composites namely, g-C3N4/rGO, and g-C3N4/SnO2 in degradation of Rhodamine-B (RhB) dye. The optimal nanocomposite (i.e., g-C3N4/5-rGO/SnO2) demonstrated effective increase in dye degradation efficiency. The physical, morphological, optical, electrochemical, and photocatalytic characteristic have been studied by X-ray diffractometer, scanning/transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, photoluminescence, FTIR spectroscopy, UV-Vis spectroscopy and electrochemical impedance spectra. This work presents newer heterojunction, revealing the individual roles of three-components of this system, as well as an enhancing the absorption ability of light to construct efficient ternary nano/heterojunctions photocatalyst. Similarly, hierarchical titanium dioxide TiO2 has acquired greater attention owing to its efficient photocatalytic activity, low cost, stability, non-corrosive, high availability, and nontoxicity towards the environment and humans. However, two major drawbacks including a wide band gap of around ~3.2 eV and a high recombination rate of the photogenerated charge carriers restrict its capability in practical application. In this work, we deposited metal chalcogenide-based quantum-dots of lead sulfide (PbS QDs) on P25-, p-type and n-type TiO2 nanoparticles by pseudo-successive ionic layer adsorption and reaction (p-SILAR) process to form hierarchical nanocomposite and studied the corresponding photocatalytic activity under visible light. Concurrently, improved optoelectronic characteristics were recorded for n-TiO2/PbS hierarchical nanocomposite due to low charge recombination evidenced from photoluminescence (PL) spectra and optimum PbS deposition evidenced from EDX analysis as compared to p-TiO2 and P25-TiO2. The n-TiO2/PbS hierarchical nanocomposite degrades 74.4% RhB dye under visible light in 120 min. The structural, morphological, and photocatalytic characteristics were investigated by scanning and transmission electron microscopy, PL spectra, UV-Vis spectrophotometry, and Fourier transforms infrared spectra. This work might offer new understandings on P25-, p- and n-TiO2/PbS hierarchical nanocomposites with improved photocatalytic performance for visible-light activated degradation of Rhodamine-B dye. Herein, it is summarized that nanoscale hybrid nanocomposite (g-C3N4/rGO/SnO2) synthesized by hydrothermal as well as n-TiO2/PbS hierarchical nanocomposite employing p-SILAR technique demonstrating enhanced performance compared to pristine g-C3N4, and hierarchical TiO2. It supports and affirm that the nanoscale hybrid nanocomposite is the suitable way for enhancing the photocatalytic performance of the photocatalytic material.