강화된 촉매 활성으로 Ni 산화물 나노구조에 대한 Au@Pd 나노입자의 바이메탈 효과 계몽

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3203(2023) 이 기사 인용

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반도체 전극의 바이메탈 장식은 일반적으로 잘 알려진 시너지 효과로 인해 촉매 및 감지 성능을 향상시킵니다. 반도체의 에너지 밴드에 대한 이러한 효과에 대한 미시적이고 정량적인 조사는 추가 활용에 실제로 유용할 수 있습니다. Au, Pd 및 Au@Pd(core@shell) 나노입자(크기 10-20 nm)는 화학적 환원 방법을 통해 합성되었으며 주사 및 투과 현미경, Rutherford 후방 산란 분광법, 순환 전압전류법 전기화학 임피던스 분광법 및 Mott-Schottky 분석으로 특성화되었습니다. 나노입자는 모노 또는 바이메탈 나노입자로 장식하는 효과를 정량적으로 조사하기 위한 목적으로 Ni 기반 나노구조 전극을 장식하는 데 사용되었습니다. 장식된 전극은 일반 전극보다 더 높은 산화환원 전류와 산화환원 피크의 이동(최대 0.3V)을 보여주며, 이는 보다 효율적인 전자 전달 및 향상된 촉매 특성에 기인할 수 있습니다. 이러한 효과는 나노입자-반도체 경계면에서 나노 쇼트키 접합을 사용하여 만족스럽게 모델링되었으며(COMSOL) 큰 에너지 밴드 굽힘(최대 0.4eV), 공간 전하 영역 및 국부 전기장(최대 \({10}^{ 8}\mathrm{ V }{\mathrm{m}}^{-1}\)) 바이메탈 장식. 장식된 Ni 산화물 전극에 의한 포도당과 H2O2의 감지 테스트를 수행하여 모델을 통합했습니다. 바이메탈 나노입자의 존재는 감도, 촉매 활성 및 전기 수송 측면에서 재료의 전기화학적 성능을 엄청나게 향상시킵니다. 반도체 에너지 밴드 다이어그램의 변형을 산화환원 반응 중 전자 전달 측면에서도 분석하고 논의합니다.

바이메탈 나노입자(NP)는 흥미로운 물리적, 화학적 특성과 다양한 재료 과학 분야(촉매, 광촉매, 광학, 감지 및 나노의학)에서의 응용으로 인해 지난 10년 동안 엄청난 관심을 불러일으켰습니다1,2,3,4 ,5. 실제로, 금속 표면에 하나 이상의 화학 원소를 추가/대체하면 표면 흡착물의 가능한 결합 형상이 증가하고 동시에 표면의 전자 구조가 변경됩니다6. 일반적으로 바이메탈 NP는 혼합 패턴(화학적 순서)과 기하학적 구조에 따라 분류될 수 있습니다. NP의 두 가지 주요 범주는 코어-쉘(또는 core@shell)과 나노복합 바이메탈 NP로 식별할 수 있으며, 첫 번째 경우에는 순서화된 원자 배열이 있고 두 번째 경우에는 무작위로 혼합된 원자가 있습니다2. 순서와는 별도로 촉매 및 감지 성능의 특정 개선이 관찰되었으며 일반적으로 시너지 효과를 유추하는 것으로 설명됩니다7. 실제로 NP의 대부분의 기본 특성은 벌크 특성의 외삽법으로 설명할 수 없습니다. 이론적 관점에서 바이메탈 NP는 새로운 이론적 개념과 기술 개발을 위한 이상적인 테스트 벤치를 제공하고 근본적인 관심을 끄는 일련의 질문을 제시합니다8.

여러 이론적 조사에서는 표면 흡착 및 화학 반응9,10,11,12,13,14에 대한 이러한 시너지 효과를 연구했습니다. 외부 금속 원자가 금속 호스트에 추가되면 외부 원자를 수용하기 위한 국부적 결합 변경으로 인해 d-밴드 위치와 충전에 중요한 변화가 발생합니다. d-전자의 수는 일반적으로 이러한 변화에 의해 영향을 받으며, 그 변화는 바이메탈 나노입자15의 반응성의 변화로 이어집니다. 실험적 관점에서 볼 때 바이메탈 NP의 효과는 감도16,17, 촉매 활성 및 전기적 특성 측면에서 합리적인 향상을 유도합니다. 그러나 대부분의 실험 논문에서는 바이메탈 효과를 측정하고 불특정 시너지 효과를 호출하는 것 외에 이를 미시적으로 특성화하고 모델링하려는 시도를 놓치고 있습니다. 바이메탈 NP의 촉매 결과와 시너지 효과 사이의 관계에 대한 깊은 이해는 저렴한 비용, 향상된 활동 및 높은 선택성을 갖춘 보다 효율적인 센서를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.