Ag/NiS/TiO2 나노복합체의 광생성 음극 보호 특성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 4814(2022) 이 기사 인용

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TiO2는 광전 변환에 사용되는 반도체 재료입니다. 광이용률을 향상시키기 위해 간단한 함침증착법과 광환원법을 이용하여 이산화티타늄 나노와이어 표면에 황화니켈과 은나노입자를 합성하였다. 304 스테인리스강에 대한 Ag/NiS/TiO2 나노복합체의 음극 보호 효과에 대한 일련의 연구가 수행되었으며, 재료의 형태, 구성 및 광 흡수 특성에 대한 추가 분석도 수행되었습니다. 결과는 황화니켈 함침-증착 주기가 6회이고 질산은 광환원 농도가 0.1M일 때 제조된 Ag/NiS/TiO2 나노복합체가 304 스테인리스강에 대해 최고의 음극 보호 기능을 제공할 수 있음을 나타냅니다.

태양광을 이용한 광전 음극 보호에 n형 반도체를 적용하는 것이 최근 몇 년간 뜨거운 주제였습니다. 햇빛의 여기 하에서 반도체 물질의 가전자대(VB)에 있는 전자는 전도대(CB)로 여기되어 광생성 전자를 생성합니다. 반도체 또는 나노복합체의 전도대 전위가 결합된 금속의 자가 에칭 전위보다 더 음인 경우, 이러한 광생성 전자는 결합된 금속의 표면으로 전달됩니다. 전자의 축적은 금속의 음극 분극으로 이어지고 결합된 금속의 음극 보호가 제공됩니다1,2,3,4,5,6,7. 양극 반응은 광생성 정공 또는 흡착된 유기 오염물질1에 의한 물 산화를 통해 수행되는 반면 양극 반응은 반도체 재료 자체를 분해하지 않거나 트랩핑제의 존재가 광생성 정공을 포착하기 때문에 이론적으로 비희생 광양극으로 간주됩니다. 가장 중요한 것은 반도체 재료가 보호된 금속의 부식 전위보다 더 음의 CB 전위를 가져야 한다는 것입니다. 이러한 방식으로만 광생성된 전자가 반도체 전도대에서 보호된 금속으로 전달될 수 있습니다. 광화학적 부식 저항성 연구는 자외선(< 400 nm)에만 반응하는 넓은 밴드 갭(3.0-3.2EV)1,2,3,4,5,6,7을 갖는 무기 n형 반도체 재료에 중점을 두었습니다. 빛의 가용성을 줄입니다.

해양 방식 분야에서는 광전기화학적 음극 보호 기술이 중추적인 역할을 합니다. TiO2는 자외선 흡수 특성과 광촉매 성능이 뛰어난 반도체 소재의 일종이다. 그러나 빛 이용률이 낮기 때문에 광생성 전자 정공은 쉽게 합성되며 어두운 상태에서는 보호할 수 없습니다. 합리적이고 실용적인 해결책을 제시하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. Fe, N 도핑, Ni3S2, Bi2Se3, CdTe 등과의 합성 등 TiO2의 감광성을 향상시키기 위해 많은 표면 개질 처리가 적용될 수 있다고 보고되었습니다. 따라서 광전 변환 효율이 높은 물질과 TiO2를 합성하는 것이 광생성 음극 보호 분야에 널리 적용되었습니다.

황화니켈은 ​​밴드갭 폭이 1.24eV8,9에 불과한 좁은 반도체 소재입니다. 밴드갭 폭이 좁을수록 빛의 활용률은 높아집니다. 이산화티타늄 표면에 황화니켈을 배합하면 빛의 이용률을 넓힐 수 있다. 이산화티타늄과 결합하면 광생성 전자와 정공의 분리 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 황화니켈은 ​​전기촉매 수소 생산, 배터리 및 오염물질 분해에 널리 사용됩니다8,9,10. 그러나 광음극 보호에 대한 적용은 보고되지 않았습니다. 본 연구에서는 TiO2의 낮은 광이용 효율을 해결하기 위해 밴드갭 폭이 좁은 반도체 소재를 선택했다. 황화니켈과 은 나노입자는 각각 함침-증착법과 광환원법을 통해 TiO2 나노와이어 표면에 결합되었다. Ag/NiS/TiO2 나노복합체는 빛 활용 효율을 향상시켜 빛의 흡수 범위를 자외선 영역에서 가시광선 영역으로 확장합니다. 한편, 은 나노입자의 증착은 Ag/NiS/TiO2 나노복합체에 탁월한 광학적 안정성과 지속 가능한 음극 보호 기능을 제공합니다.