Films de nanotubes TiO2 sensibilisés au Bi2Se3 pour la protection cathodique photogénérée de l'acier inoxydable 304 sous lumière visible

Contexte

En tant que matériaux d'ingénierie importants, les aciers inoxydables ont été largement appliqués à des projets importants dans de nombreux domaines en raison de leur excellente résistance à la corrosion. Cependant, les aciers inoxydables peuvent subir une corrosion importante lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements agressifs spécifiques, tels que des environnements acides, ainsi que dans des conditions contenant du chlorure ou à haute température [1,2,3,4]. Des recherches approfondies et des applications de la méthode anti-corrosion traditionnelle, y compris les revêtements [5, 6], l'utilisation d'une anode sacrificielle [7] et la protection cathodique à courant imposé [8, 9], ont été développées au cours des dernières décennies. Cependant, la technologie anticorrosion écologique et durable reste toujours un objectif majeur. En tant que nouvelle technologie anti-corrosion, la protection photocathodique a été proposée pour la première fois par Yuan et Tsujikawa en 1995 [10] avant d'attirer l'attention des chercheurs sur la corrosion [11,12,13,14].

Dioxyde de titane (TiO₂ ) est un matériau photoélectrique important avec de bonnes propriétés de conversion photoélectrique et de photocatalyse et est largement utilisé dans les catalyseurs [15], les cellules solaires [16] et les capteurs de gaz [17] en raison de son faible coût, de sa non-toxicité et de ses propriétés chimiques stables. TiO₂ et TiO₂ à base de composites sont utilisés pour la protection cathodique photogénérée :une technique prometteuse pour la prévention de la corrosion qui a connu un développement rapide ces dernières années [18,19,20,21,22,23]. Cependant, la bande interdite (3,2 eV) de TiO₂ restreint la photoréponse à la seule région ultraviolette, ce qui diminue considérablement le taux d'utilisation de l'énergie solaire. De plus, les porteurs de charge photo-induits dans le TiO₂ nu les nanoparticules présentent une durée de vie très courte en raison de la recombinaison rapide des paires électron-trou photo-excitées, ce qui réduit l'effet de protection photocathodique du TiO₂ pur cinéma. Ainsi, comment surmonter les lacunes ci-dessus de TiO₂ est devenu un sujet largement étudié. De nombreuses études ont été menées sur la composition du TiO₂ avec des éléments non métalliques (F, N et S) [12, 24, 25], des atomes métalliques (Fe, Co, Cu et Ce) [26,27,28,29] et quelques nano-semiconducteurs à bande interdite étroite (Ag2 O, ZnSe, WO₃ , CdS, Ag₂ S, CdSe et Bi₂ S₃ ) [30,31,32,33,34,35,36] pour améliorer la séparation des porteurs et l'utilisation de la lumière du TiO₂ .

Séléniure de bismuth (Bi₂ Se₃ ) est un semi-conducteur à couche de bande interdite directe et un membre important du V₂ VI₃ famille composée. Il a un coefficient d'absorption élevé dans les régions de lumière visible et proche infrarouge avec une bande interdite étroite (0,35 eV) [37]. En tant que chalcogénure de type n important, Bi₂ Se₃ possède de nombreuses caractéristiques importantes, telles qu'une conductivité électrique élevée [38], une propriété thermoélectrique appréciable [39], une photosensibilité [40], une propriété électrochimique [41] et une photoconductivité [42]. De plus, Bi₂ Se₃ est un isolant topologique populaire [43,44,45] et a la propriété unique d'états de surface conducteurs et d'états en vrac isolés. Bi₂ de haute qualité Se₃ des nanostructures ont été préparées en utilisant une méthode de dépôt physique sous vide poussé, un dépôt chimique en phase vapeur, un dépôt de couche atomique, un dépôt laser pulsé et une technique vapeur-liquide-solide à haute température [44,45,46,47,48,49]. Ces méthodes synthétiques pour Bi₂ Se₃ nécessitent une fabrication difficile, conduisant à un coût de production élevé. Dans cet article, les problèmes ci-dessus sont surmontés en utilisant une méthode de dépôt de bain chimique simple et peu coûteuse pour Bi₂ Se₃ dépôt de nanofleurs sur TiO₂ . La combinaison d'un n-Bi₂ Se₃ /n-TiO₂ L'hétérojonction en tant que photoanode efficace a été appliquée pour la première fois à la protection cathodique photogénérée du 304ss. La morphologie, la structure et la propriété d'absorption optique de Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites ont été étudiés par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS), spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et spectres de réflectance diffuse UV-visible (UV-Vis). , respectivement.

Méthodes

Tous les produits chimiques utilisés dans cette étude étaient de qualité analytique et utilisés tels que reçus sans autre purification. Toutes les solutions aqueuses ont été préparées avec de l'eau déminéralisée.

Préparation du TiO₂ Film

Des feuilles de Ti (20 mm × 10 mm × 0,3 mm ;> 99,9% de pureté) ont été polies à l'aide d'un mélange contenant du NH₄ F (2,25 g), H₂ O (12,5 mL), H₂ O₂ (30 % en poids, 30 mL) et HNO₃ (68% en poids, 30 mL), puis les morceaux de Ti ont été nettoyés avec de l'eau déminéralisée et de l'éthanol. TiO₂ Le film a été préparé sur feuille de Ti par la méthode d'oxydation anodique rapportée dans la littérature [50]. La plaque de Pt a été choisie comme cathode, et la feuille de Ti a été l'anode à 20 V pendant 1 h dans une solution d'éthylène glycol contenant du NH₄ F (0,22 g), H₂ O (4 mL) et éthylène glycol (40 mL) à température ambiante. Après cela, les échantillons ont été rincés avec de l'eau déminéralisée et de l'éthanol. Enfin, les éprouvettes ont été recuites à 450 °C pendant 2 h et refroidies à l'air ambiant pour obtenir TiO₂ filmer.

Synthèse de Bi₂ Se₃ sur le TiO₂ Film

Le Bi₂ Se₃ a été préparé par la méthode de dépôt en bain chimique. Dans la procédure expérimentale, 8 mmol d'acide nitrilotriacétique (H₃ NTA) et 0,4 mmol de Bi(NO₃ )₃ ·5H₂ O ont été ajoutés à de l'eau déminéralisée (400 mL) pour former le chélate de bismuth, avec un Bi ³⁺ concentration de 1,0 mmol/L dans la solution mélangée. Deux millimoles d'acide ascorbique en tant que réactif réducteur ont été ajoutées à la solution ci-dessus, puis de l'hydroxyde d'ammonium a été ajouté avec précaution, goutte à goutte, jusqu'à ce que le pH du mélange soit ajusté à environ 8,6 ~ 8,9 et que la solution mélangée apparaisse incolore et transparente. Enfin, Na₂ SeSO₃ (20 mL, 30 mmol/L) a été injecté dans la solution ci-dessus. Dans toutes les expériences ci-dessus, les solutions aqueuses ont été soigneusement agitées avec un agitateur magnétique pour obtenir une solution homogène. Ensuite, un TiO₂ substrat a été immergé dans la solution finale (40 mL) dans un bécher (100 mL). Le bécher recouvert de film alimentaire a ensuite été transféré dans une étuve chauffée à une température de 80 °C pendant 200 min pour obtenir le Bi₂ Se₃ nanofleur sur le TiO₂ substrat. Enfin, l'échantillon a été retiré du bécher et lavé plusieurs fois avec de l'eau déminéralisée et de l'éthanol, puis laissé sécher à l'air ambiant. De cette façon, Bi₂ Se₃ -sensibilisé TiO₂ les films ont été obtenus et étiquetés avec Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0. Pour simplifier, différentes quantités de Bi₂ Se₃ sur TiO₂ les substrats sont désignés par Bi₂ Se₃ /TiO₂ -γ dans cet article, où désigne la concentration de Bi ³⁺ dans le H₃ NTA et Bi (NO₃ )₃ ·5H₂ O solution. Avec les quantités des autres réactifs maintenues constantes, Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 ont été obtenus pour Bi ³⁺ concentrations de 0,5 mmol/L et 0,25 mmol/L, respectivement. L'influence de différentes quantités de Bi₂ Se₃ sur les propriétés de protection photoélectrochimique et photocathodique des films composites a été étudiée dans cet article.

Analyse de la morphologie et de la composition

La microscopie électronique à balayage (SEM, Hitachi S-4800, Japon) a été utilisée pour étudier les morphologies des films préparés. La spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS, analyseur de spectre d'énergie à rayons X Oxford Energy 350) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) ont été utilisées pour déterminer la composition chimique du Bi_{2 Se3 /TiO2 nanocomposites. Le DRS UV-Vis (Japan Hitachi UH4150) a été utilisé pour déterminer l'absorbance lumineuse des échantillons. La composition de la phase cristalline des échantillons a été caractérisée par un diffractomètre à rayons X (XRD, Allemagne Bruker AXSD8) utilisant Cu Kα rayonnement (γ = 1.54056 Å) de 10° à 80°.}

Mesures photoélectrochimiques

Comme le montre la figure 1, un système de couplage comprenant des cellules de photolyse et d'électrolyse a été utilisé pour les mesures photoélectrochimiques, et une membrane échangeuse de protons a été utilisée pour relier les deux cellules entre elles. La cellule de photolyse contenait 0,1 mol/L de Na₂ S et 0,2 mol/L de solution mixte de NaOH, qui a joué le rôle d'agent sacrificiel pour favoriser la séparation des électrons et des trous [33, 51], tandis qu'une solution de 0,5 mol/L de NaCl a été utilisée comme électrolyte pour la cellule électrolytique. Dans la cellule électrolytique, un système à trois électrodes a été adopté avec une feuille de Pt comme contre-électrode (CE), une électrode au calomel saturé comme électrode de référence (RE) et 304ss comme électrode de travail (WE). Bi₂ Se₃ /TiO₂ des échantillons de nanocomposites placés dans la cellule de photolyse ont été connectés à une électrode 304ss immergée dans la cellule d'électrolyse par un fil de cuivre. La source lumineuse dans le domaine de la lumière visible a été irradiée par une lampe au xénon à haute pression (PLS-SXE 300 C, Beijing Perfectlight Company, Chine). Les modifications du potentiel en circuit ouvert (OCP) et des courbes de photocourant ont été mesurées à l'aide d'un système potentiostat/galvanostat/ZRA Gamry (GAMRY 3000, Gamry Instruments, USA) avant et pendant l'irradiation lumineuse.

Croquis schématiques du montage expérimental utilisé pour l'analyse photoélectrochimique

Résultats et discussion

Caractérisation du TiO2 pur et du Bi2Se3/TiO2

La figure 2a montre une vue de dessus typique et des topographies transversales pour TiO₂ films préparés selon la méthode d'anodisation. Le TiO₂ les réseaux de nanotubes présentent une structure nanoporeuse composée de nanotubes bien ordonnés et à haute densité avec un diamètre interne moyen et une longueur d'environ 55 nm et 680 nm, respectivement. Comme le montre la Fig. 2b–d, le TiO₂ les surfaces des nanotubes ont été modifiées avec succès par Bi₂ Se₃ via la méthode de dépôt en bain chimique pour différentes concentrations de Bi ³⁺ . Pour Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, le Bi₂ Se₃ les nanoflocons étaient distribués sporadiquement et agrégés de manière inégale à travers le TiO₂ nanotubes (Fig. 2b). Lorsque la concentration de Bi ³⁺ était de 0,5 mmol/L, Bi₂ Se₃ était presque entièrement composé de motifs floraux de nanoflocons ultrafins souples d'un diamètre d'environ 800 nm, sans obstruer la buse du TiO₂ nanotubes ou les endommager (Fig. 2c). Bi₂ Se₃ nanofleurs qui ont été observées uniformément réparties à la surface du TiO₂ a montré une structure réticulée interne pour les nanoflocons ultrafins, qui a efficacement empêché l'agrégation des lamelles et maintenu une longue durée de vie des architectures, comme le montre la figure 2c. Après la concentration de Bi ³⁺ a été augmenté à 1,0 mmol/L, la quantité et le diamètre du Bi₂ Se₃ les nanofleurs ont considérablement augmenté et l'agglomération de nanofleurs a bloqué les nanotubes, comme le montre la figure 2d. Le spectre EDS correspondant du Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 films montrés sur la figure 2e ont révélé que les pics caractéristiques pour Ti, O, Bi et Se étaient marqués avec des pourcentages atomiques de Bi et Se de 0,9 % et 1,3 %, respectivement. Il est bien connu que l'erreur de mesure du test EDS augmente avec la diminution du contenu de l'élément de test. Ainsi, il est acceptable que le rapport atomique de Bi et Se soit proche de 2:3.

Images SEM pour a TiO pur₂ , b Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25, c Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 et d Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 ; e Spectre EDS pour Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 film

La figure 3a montre les spectres XRD pour le TiO₂ pur (courbe a) et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 nanocomposites (courbe b). Mis à part les pics du substrat Ti, les pics de diffraction à 25,38°, 38,03°, 48,01°, 54,05°, 55,17°, 62,71° et 70,44° correspondaient bien aux plans du réseau (101), (004), (200), (105), (211), (204) et (220) d'anatase TiO₂ , respectivement (JCPDS 21-1272). Sauf pour le TiO₂ pics, les pics de diffraction distinctifs à 29,35 ° et 74,90 ° ont été indexés sur les plans de réseau (015) et (0216) du cristal rhomboédrique Bi₂ Se₃ (JCPDS 33-0214). Cependant, il n'y a pas de pic évident de Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 en raison du faible contenu Bi₂ Se₃ déposé sur TiO₂ et les spectres XRD étaient conformes aux résultats SEM et EDS. La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) a été utilisée pour déterminer davantage les compositions chimiques et les états du Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites. Comme le montre la figure 3b, XPS a révélé l'existence de composants Bi, Se, Ti et O en plus des contaminants C en raison d'une contamination accidentelle par des hydrocarbures. La figure 3c montre les positions des pics pour Ti 2p à 458,7 et 464,5 eV, indiquant que les oxydes de titane étaient principalement constitués de TiO₂ [52]. Comme illustré sur la Fig. 3d, les sémaphores O 1s correspondaient à deux pics gaussiens :le maximum à l'énergie de liaison inférieure (530,0 eV) était attribué à l'oxygène du réseau (O_L ) en Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites et le second à l'énergie de liaison la plus élevée (531,5 eV) était dérivé de l'oxygène adsorbé (O_A ), y compris les groupes oxygène ou hydroxyle à liaison faible. L'existence de O_A était due à la génération de lacunes d'oxygène à la surface des nanocomposites, ce qui pourrait améliorer les propriétés de conversion photoélectrique de Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites en protection photocathodique [53]. La figure 3e montre que le 4f_7/2 pic asymétrique pour Bi résolu en deux pics (157,5 et 159,4 eV), avec le Bi 4f_5/2 spectre divisé de manière similaire en deux bandes à 162,8 et 164,7 eV, respectivement. Les positions des pics inférieurs (157,5 eV et 162,8 eV) étaient en bon accord avec celles de Bi₂ Se₃ , les pics les plus élevés correspondant à l'oxyde de bismuth à 159,4 eV et 164,7 eV [54, 55]. On peut conclure qu'une poignée de bismuth métallique a été oxydée pendant le processus de synthèse avec Bi₂ Se₃ modification du TiO pur₂ . Comme le montre la figure 3f, les deux pics ont été attribués au 3d_3/2 et 3d_5/2 niveaux de base de Se à 55,1 et 54,2 eV, respectivement, indiquant que Se existait sous la forme de Se ^2- [56].

un Modèles XRD pour TiO pur₂ et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 nanocomposites ; b le spectre total de l'enquête, c Ti 2p, d O 1s, e Bi 4f et f Se spectres XPS 3D pour Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 nanocomposites

La figure 4 montre les capacités d'absorption de la lumière du TiO₂ pur et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 nanocomposites. Le bord d'absorption caractéristique pour le TiO₂ pur était d'environ 380 nm dans la région UV en raison de l'énergie de la bande interdite de l'anatase TiO₂ (3,2 eV) (courbe a). Une adsorption prononcée a été observée pour Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites dans la région de la lumière visible (350-800 nm) (courbe b), avec des capacités d'absorption de la lumière visible supérieures à celles du TiO₂ pur en raison de l'incorporation du Bi₂ Se₃ nanofleur. Ce phénomène peut être attribué au fait que Bi₂ Se₃ est excité sous la lumière visible en raison de sa bande interdite étroite (0,35 eV), avec des électrons et des trous produits dans sa bande de conduction (CB) et sa bande de valence (VB). Par conséquent, l'ajout de Bi₂ Se₃ augmente efficacement la capacité d'absorption de la lumière visible de Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites.

Spectres d'absorption UV-visible pour TiO₂ (a) et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (b)

Performances de protection photocathodique du TiO2 pur et du Bi2Se3/TiO2

Comme le montre la Fig. 5, les courbes OCP pour le 304ss couplé au TiO₂ pur et Bi₂ Se₃ /TiO₂ Les photoanodes nanocomposites ont été mesurées sous une lumière visible intermittente, la réponse OCP à l'éclairage étant déclenchée et déplacée vers un potentiel négatif pour toutes les électrodes couplées. Lors de la phase initiale d'allumage, l'OCP de toutes les électrodes couplées a montré un décalage négatif sur une courte période, ce qui était dû au transfert des photoélectrons excités du TiO₂ pur. et Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposite à l'électrode 304ss [1, 57]. Par la suite, les valeurs OCP relativement stables peuvent être attribuées au taux d'équilibrage entre la création et la recombinaison des électrons photogénérés [32]. Après avoir éteint l'irradiation, les valeurs OCP pour le Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites sont revenus à leurs valeurs d'origine à une vitesse plus lente par rapport au TiO₂ pur . Ce phénomène pourrait être attribué à l'effet de pool d'électrons de Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites, qui peuvent stocker des électrons photoinduits sous irradiation lumineuse et libérer lentement ces électrons sans irradiation lumineuse. Sous irradiation à la lumière visible, la valeur OCP pour 304ss était d'environ - 450 mV lorsqu'elle était couplée avec TiO₂ (courbe a), et les valeurs OCP pour 304ss couplées avec Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (courbe b), Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 (courbe d) et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1,0 (courbe c) a atteint respectivement − 905 mV, − 996 mV et − 958 mV. Ces résultats ont indiqué que le 304ss était polarisé cathodiquement une fois couplé avec Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites et qu'une bonne protection cathodique pour le 304ss pourrait être fournie par le Bi₂ Se₃ /TiO₂ photoanodes. Comme le montre la Fig. 5d, le 304ss couplé à Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 possédait le potentiel le plus négatif indiquait que la meilleure performance de protection photocathodique pour 304ss. Ce résultat peut être dû au fait que les sites actifs et la récolte de lumière ont augmenté avec l'augmentation de Bi₂ Se₃ contenu. Cependant, une quantité excessive de Bi₂ Se₃ les particules ont servi de sites de recombinaison pour les électrons et les trous, ce qui a entravé le transfert de charge du Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites à 304ss.

OCP pour 304ss couplé au TiO₂ pur et Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites dans une solution de NaCl à 0,5 mol

Comme le montre la Fig. 6, les courbes de densité de photocourant en fonction du temps pour TiO₂ et Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites ont montré une photoréponse rapide et reproductible sous un éclairage intermittent en lumière visible, qui reflétait les performances de conversion photoélectrique des matériaux. Le courant photogénéré était relativement faible sous la lumière visible en raison de la faible absorption de la lumière visible (courbe a). Cependant, le courant photogénéré a augmenté de manière remarquable sous un éclairage en lumière visible suite à la sensibilisation de TiO₂ par le Bi₂ Se₃ nanofleur (courbes b à d). Les données impliquaient que le Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites étaient capables d'utiliser la lumière visible et que l'hétérojonction entre TiO₂ et Bi₂ Se₃ favorisé la séparation des électrons et des trous photogénérés [58]. De plus, les photoélectrons produits dans la bande de conduction du Bi₂ Se₃ nanoflower peut être facilement transféré à la bande de conduction plus positive du TiO₂ nanotubes sous éclairage visible. Après trois intervalles d'irradiation, le photocourant a maintenu une valeur relativement stable et aucune dégradation du photocourant n'a été détectée, illustrant la bonne stabilité photochimique du Bi₂ Se₃ /TiO₂ films nanocomposites. Pour différentes concentrations de Bi ³⁺ , le Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites ont montré des intensités différentes pour la réponse photocourante. En particulier, la densité de photocourant transitoire pour Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 (415 μA/cm ² ) était supérieur à celui de Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,25 (85 μA/cm ² ) et Bi₂ Se₃ /TiO₂ -1.0 (160 μA/cm ² ), indiquant que Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 possédait une efficacité de séparation idéale pour les paires électron-trou photogénérées. Les sites actifs et la récolte de lumière ont été diminués en raison de la carence en Bi₂ Se₃ nanofleurs sur le Bi₂ Se₃ /TiO₂ films nanocomposites, tandis que les sites de recombinaison pour les électrons et les trous ont augmenté en présence d'une quantité excessive de Bi₂ Se₃ nanofleurs. Sous un éclairage en lumière visible, la plus grande densité de courant photoinduit du Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 photoanode était cohérent avec les plus grandes chutes de potentiel photoinduites illustrées à la Fig. 5, validant davantage les performances optimales de protection photocathodique de Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 pour 304ss.

Courbes de densité de photocourant en fonction du temps pour le TiO₂ pur et Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites dans 0,1 mol/L Na₂ Solution mélangée de S et 0,2 mol/L de NaOH

La figure 7 montre les processus de conversion photoélectrique et de transport pour le Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites. Sous la lumière visible, Bi₂ Se₃ les nanofleurs peuvent facilement absorber les photons car elles contiennent de l'oxygène adsorbé (O_A ) et ont une largeur de bande interdite étroite (0,35 eV). Lorsque les photons sont absorbés par le Bi₂ Se₃ nanofleurs, des électrons photoexcités seront générés par excitation à partir de la bande de valence (VB) de Bi₂ Se₃ à la bande de conduction (CB) de Bi₂ Se₃ . Les électrons photoexcités dans le CB de Bi₂ Se₃ sont décalés vers le CB de TiO₂ , tandis que les trous photogénérés dans le VB de TiO₂ sont transférés au VB de Bi₂ Se₃ , puis sont capturés par S ²⁻ dans l'électrolyte pour se transformer en S à la surface du film de photoanode. Lorsque les électrons photoexcités sortent de la photoanode et passent au 304ss, ils réagiront avec l'oxygène gazeux et l'eau pour convertir OH ⁻ . De plus, Na ⁺ est transporté de la cellule électrolytique à la cellule de photolyse par une membrane échangeuse de protons, de sorte que le système de couplage est électriquement neutre dans son ensemble. En conséquence, les charges photogénérées sont efficacement séparées et la probabilité de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées est réduite. Une fois que 304ss reçoit des électrons photoexcités du Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposite à travers le fil, le potentiel du 304ss se décale négativement. Sous un éclairage en lumière visible, le Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites peuvent réduire le taux de corrosion du 304ss. Par conséquent, la séparation efficace des paires électron-trou photo-excitées dans Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites accéléreront la réaction redox et généreront une protection photocathodique efficace pour le 304ss.

Représentation schématique des processus de transfert d'électrons dans Bi₂ Se₃ /TiO₂

Conclusions

Dans cet article, TiO₂ des matrices de nanotubes ont été préparées par la méthode d'anodisation et Bi₂ Se₃ les nanofleurs ont été cultivées sur TiO₂ nanotubes par dépôt chimique en bain. Le Bi₂ Se₃ /TiO₂ les nanocomposites ont montré une distribution homogène et des caractéristiques ordonnées. Tests électrochimiques pour les nanocomposites et TiO₂ pur couplé avec 304ss a montré que la performance de protection cathodique photogénérée du Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites était supérieur à celui du TiO₂ pur . La valeur OCP pour 304ss couplée avec Bi₂ Se₃ /TiO₂ -0,5 a montré un décalage négatif à − 996 mV sous un éclairage en lumière visible en raison des sites actifs et de la récolte de lumière de TiO₂ sensibilisé par Bi₂ Se₃ . En comparant les résultats des tests électrochimiques pour trois Bi₂ Se₃ /TiO₂ nanocomposites, le nanocomposite préparé en utilisant 0,5 mmol/L Bi ³⁺ dans l'électrolyte présentait des performances optimales.

Abréviations

304ss :

Inox 304

CB :

Bande de conduction

CE :

La contre-électrode

EDS :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

H₃ NTA :

Acide nitrilotriacétique

OA :

Oxygène adsorbé

OCP :

Potentiel de circuit ouvert

OL :

Oxygène en réseau

RE :

L'électrode de référence

SCE :

Électrode au calomel saturé

SEM :

Microscopie électronique à balayage

UV-Vis :

Spectres de réflectance diffuse UV-visible

VB :

Bande de Valence

NOUS :

L'électrode de travail

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X