Synthèse par étapes de nanofleurs Au@CdS-CdS et de leurs propriétés photocatalytiques améliorées

Introduction

L'énergie solaire est actuellement reconnue comme la source d'énergie la plus propre et la plus abondante. La conversion de l'énergie solaire en d'autres formes d'énergie à l'aide de photocatalyseurs à semi-conducteurs a été considérée comme un moyen idéal pour résoudre la crise énergétique et la pollution de l'environnement [1, 2]. Pour tirer pleinement parti de l'énergie solaire, de nombreux photocatalyseurs à base de semi-conducteurs ont été conçus et développés [3, 4]. Parmi eux, le CdS, avec une bande interdite appropriée d'environ 2,4 eV pour une absorption efficace de la lumière visible de la lumière du soleil, est l'un des rares photocatalyseurs entraînés par la lumière visible [5]. Cependant, le taux élevé de recombinaison des porteurs de charge et la photocorrosion entravent sérieusement l'efficacité photocatalytique du CdS.

Ces dernières années, les nanostructures hybrides ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés physico-chimiques [6,7,8,9]. Par rapport au composant individuel correspondant, les nanostructures hybrides à base de CdS présentent de meilleures performances dans certaines applications en raison de la plage d'absorption de la lumière améliorée et de l'amélioration de la séparation des charges. Yu et al. ont construit un sulfure ternaire unique -[ZnS-CdS-Cu_2-x S]-ZnS- heteronanorod qui montre une région d'absorption étendue et une séparation de charge efficace, conduisant à une performance améliorée dans la conversion de l'énergie solaire [10]. Xu et al. ont synthétisé des CdS@TiO₂ sphériques et en bâtonnets nanoparticules core-shell (CSN) qui démontrent d'excellentes performances photocatalytiques pour les réactions d'oxydoréduction sélective sous irradiation de lumière visible [11, 12]. Le schéma Z dans CdS-Au-TiO₂ Le système de nanojonction à trois composants présentait une activité photocatalytique plus élevée que ceux des systèmes à un et deux composants, en raison du transfert d'électrons le long de la route conçue [13]. Bien que de nombreuses nanostructures hybrides à base de CdS aient été synthétisées, la synthèse contrôlée de nanostructures hybrides avec les composants, les structures et les phases cristallines souhaités reste un défi notable.

En tant que branche importante des nanostructures hybrides, les nanostructures métal-semi-conducteur ont été largement étudiées en tant que nouveau type de matériau fonctionnel avancé [14,15,16,17,18,19]. Parmi elles, les nanostructures hybrides Au-CdS ont attiré une attention croissante en raison de l'interaction entre le plasmon et l'exciton. Les nanostructures plasmoniques ont des capacités importantes à concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle nanométrique, ce qui provient de leur nature d'oscillation collective des électrons de surface du métal avec une lumière incidente à des fréquences adaptées [20]. Lorsque les métaux sont hybrides avec des semi-conducteurs, une telle capacité de gestion de la lumière à l'échelle nanométrique de la plasmonique pourrait être utilisée pour améliorer l'efficacité de la photoexcitation dans les semi-conducteurs [21]. Dans la recherche en nanosciences, la conception de nanostructures complexes en contrôlant la taille et la forme des nanocristaux est essentielle pour explorer leurs nouvelles propriétés [22,23,24,25]. Jusqu'à présent, diverses formes de nanostructures hybrides Au-CdS ont été préparées et appliquées à des composants optiques, des capteurs, des dispositifs photovoltaïques et photocatalytiques [26,27,28,29,30]. Cependant, la structure hiérarchique 3D des nanocomposites Au-CdS avec une morphologie bien définie a rarement été rapportée. La synthèse de nanocomposites complexes est un défi très difficile car ces nanoparticules nécessitent des compétences de préparation extrêmement élevées et ne sont pas toujours pratiques.

Ici, nous construisons des nanoparticules Au@CdS-CdS en forme de fleur (nanofleurs Au@CdS-CdS) grâce à une stratégie de synthèse par étapes. Qui a des hétérostructures hiérarchiques construites par croissance épitaxiale de nanotiges CdS 1D sur les surfaces des CSN Au@CdS et une structure hétérogène entre Au et CdS. Les nanofleurs Au@CdS-CdS synthétisées présentent une région d'absorption étendue qui atteint jusqu'à 850 nm et couvre toute la gamme visible. Les nanofleurs Au@CdS-CdS démontrent une activité photocatalytique améliorée par rapport aux homologues CSN et CdS Au@CdS sous l'irradiation visible. Sur la base de sa taille, de sa morphologie et de sa structure, nous avons proposé un mécanisme de croissance réalisable, qui sera probablement utile aux chercheurs dans des domaines aussi divers que la médecine, l'énergie et l'électronique qui conçoivent souvent des nanoparticules complexes censées avoir des fonctions utiles.

Méthodes

Synthèse de nanofleurs Au@CdS-CdS

Tous les produits chimiques reçus d'Aladdin étaient des réactifs de qualité analytique et utilisés sans autre purification. Des colloïdes d'Au d'un diamètre moyen de 50 nm ont été synthétisés par la méthode traditionnelle de Frens [31] et les CSN Au@CdS ont été préparés à l'aide d'une méthode hydrothermale publiée [32]. En règle générale, une solution aqueuse de l-cystéine (Cys, 99 %) a été mélangée avec du nitrate de cadmium tétrahydraté (99 %) dans un rapport 2:1 M de Cys à Cd ²⁺ . 2 mL de l-cystéine-Cd ²⁺ (Cys/Cd ²⁺ ) ont été ajoutés dans 10 mL de colloïdes d'Au et agités pendant 15 min, puis le Au-(Cys/Cd ²⁺ obtenu) ) ont été dilués à 50 mL avec de l'eau et transférés dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon (capacité de 100 mL). Une fois scellé, l'autoclave a été chauffé et maintenu à 130 °C pendant 6 h. Pour recouvrir une couche épaisse de CdS sur des nanoparticules d'Au, 10 mL de Cys/Cd ²⁺ mélange ont été ajoutés dans des colloïdes d'Au (10 mL) avec les autres conditions de réaction inchangées.

Les nanofleurs Au@CdS-CdS ont ensuite été synthétisées comme suit :les colloïdes de Au@CdS CSN résultants (10 mL), 1 mL de 10 mM Cys/Cd ²⁺ mélange et 20 ml d'éthylènediamine (En,> 99 %) ont été mélangés et agités pendant 15 minutes, puis transférés dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon (capacité de 50 ml). L'autoclave scellé a été chauffé à 180 °C et maintenu à cette température pendant 10 h, puis laissé refroidir à température ambiante. Le produit a été récupéré et lavé plusieurs fois avec de l'eau distillée et de l'éthanol pour éliminer les ions et les impuretés restants.

Les contreparties CdS ont été synthétisées comme suit :4 mL Cys/Cd ²⁺ mélange et 20 mL d'eau ont été ajoutés au réacteur et agités pendant 15 min, puis scellés et chauffés à 130 °C pendant 6 h. Les produits ont été refroidis naturellement à température ambiante et lavés plusieurs fois avec de l'eau distillée et de l'éthanol. Enfin, les échantillons ont été dispersés dans de l'éthanol absolu.

Caractérisation des matériaux

Les mesures de diffraction des rayons X (XRD) des échantillons ont été effectuées sur un diffractomètre avancé Bruker D8 et les spectres d'absorption UV-Vis ont été testés sur un photomètre PerkinElmer Lambda 35. Des images au microscope électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) et au spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) ont été obtenues sur un appareil JSM-7001F. Le modèle de microscope électronique à transmission (MET) est le JEM-2010 et la tension de fonctionnement est de 200 kV. Des images au microscope électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM) ont également été testées sur JEM-2010 avec une tension de fonctionnement de 200 kV. Les spectres de photoluminescence (PL) ont été mesurés sur un Perkin-Elmer LS-55 avec une longueur d'onde d'excitation de 400 nm. Les mesures du photocourant (courbes i–t) ont été effectuées dans un système de cellule à trois électrodes conventionnel en utilisant une station électrochimique CHI660C sans polarisation sous une lampe à arc Xe de 300 W comme source lumineuse. Le verre ITO nettoyé déposé avec des photocatalyseurs, des paillettes de Pt et une électrode Ag/AgCl ont été respectivement utilisés comme électrodes de travail, contre-électrode et électrode de référence. Na₂ SO₄ (0,2 M) a été utilisé comme électrolyte.

Mesure de l'activité photocatalytique

Le système optique utilisé pour la réaction photocatalytique se composait d'une lampe au xénon (300 W) et de deux filtres passe-bande (avec une bande passante de 400 à 780 nm et de 600 à 780 nm) qui assurent l'irradiation dans le visible. Quatre types de photocatalyseurs, y compris les nanoparticules d'Au, la contrepartie CdS, l'épaisseur Au@CdS et les nanofleurs Au@CdS-CdS ont été utilisés pour dégrader la solution de rhodamine 6G (R6G). En règle générale, 6 mg de photocatalyseur ont été ajoutés dans 20 mL de solution R6G (1,0 × 10 ^-5 M) et agité pendant 30 min dans l'obscurité pour atteindre l'équilibre d'adsorption avant l'irradiation. Les expériences photocatalytiques ont été menées sous deux gammes d'irradiation, 400-780 nm et 600-780 nm, respectivement. Ensuite, 2,5 ml de solution ont été extraits toutes les 10 minutes et centrifugés pour éliminer le photocatalyseur. Les spectres d'absorption UV-Vis des filtrats ont été enregistrés à l'aide du photomètre PerkinElmer Lambda 35 pour surveiller la réaction catalytique. Toutes les expériences de photocatalyse ont été menées à température ambiante sous air. La dégradation de R6G a été définie comme suit :

Dégradation (%) = [(C ₀ -C _t ) / C ₀ ] × 100.

où C ₀ est la concentration initiale de R6G, C _t est la concentration de R6G à un certain moment après la réaction photocatalytique.

Résultats et discussion

Le mécanisme de synthèse des nanofleurs

Le processus de synthèse par étapes pour les nanofleurs Au@CdS-CdS est représenté sur la figure 1. Tout d'abord, les nanoparticules d'Au sont synthétisées avec une taille moyenne d'environ 50 nm. La couche de CdS est déposée à la surface des nanoparticules d'Au par une réaction hydrothermale pour produire des CSN Au@CdS. Ensuite, les nanotiges de CdS sont cultivées à la surface des CSN Au@CdS par une méthode solvothermique mixte pour produire les nanostructures hiérarchiques Au@CdS-CdS. La l-cystéine et l'éthylènediamine jouent un rôle important dans la synthèse des nanofleurs Au@CdS-CdS. l-cystéine, possédant trois groupes fonctionnels (SH, COOH, NH₂ ), sert à la fois de source de soufre et d'agent de liaison pour compenser le décalage de réseau entre les cristaux d'Au et de CdS [32]. La phase cristalline pourrait être contrôlée en introduisant de l'éthylènediamine comme réactif de guidage de structure dans la croissance de nanotiges de CdS [33]. De plus, il nous est très difficile de synthétiser des nanofleurs Au@CdS-CdS en ajoutant des colloïdes Au, Cys/Cd ²⁺ mélange, et l'éthylènediamine ensemble dans les mêmes conditions. Par conséquent, l'intermédiaire des CSN Au@CdS est nécessaire pour la synthèse des nanofleurs Au@CdS-CdS, car la surface de la coque CdS n'est pas lisse et ces renflements deviennent les « sites de croissance » pour la croissance épitaxiale des nanotiges CdS.

Illustration schématique des processus de synthèse des nanofleurs Au@CdS-CdS

Exemple de morphologie et de structure

Les images SEM des nanoparticules dans chaque procédure ont été présentées sur la figure 2a–c. Les nanoparticules d'Au ont montré qu'elles étaient de taille uniforme et bien dispersées. Les CSN Au@CdS ont été montrés sur la Fig. 2b dans laquelle des nanoparticules simples d'Au ou de CdS ont rarement été observées. La surface de la coque CdS était dentelée et les renflements pouvaient être observés sur l'image TEM insérée. Comme le montre la figure 2c, les nanocristaux Au@CdS-CdS se présentent comme des nanoparticules bien définies ressemblant à des fleurs avec une bonne dispersité. La figure 2d a montré l'image MET des CSN Au@CdS avec une couche épaisse de CdS (notée Au@CdS épaisse). La figure 2e a montré l'image MET des nanofleurs Au@CdS-CdS. On peut voir que des nanotiges CdS 1D ont été développées par épitaxie à la surface des CSN Au@CdS. Le diamètre et la longueur de la nanotige CdS étaient respectivement d'environ 16 nm et 40 nm. L'image HR-TEM des nanofleurs Au@CdS-CdS a été montrée sur la Fig. 2f. L'espacement du réseau de 0,34 nm dans les nanotiges était cohérent avec les plans cristallins (002) de la wurtzite CdS. Les nanotiges de CdS préparées étaient des monocristaux avec une direction de croissance préférentielle de [001], l'axe c [34]. L'analyse EDS a en outre confirmé la composition élémentaire des nanofleurs Au@CdS-CdS, comme le montre la figure 2g, qui indiquait la présence des éléments Cd, S et Au. Des nanocristaux de CdS de taille uniforme ont été présentés sur la figure 2h. De plus, les couleurs de la solution de colloïdes Au, Au@CdS mince, Au@CdS-CdS nanofleurs, homologues CdS et Au@CdS épais étaient respectivement le vin rouge, le violet, le vert, le jaune et le vert, illustrés à la Fig. . 2i.

un , b , h Images SEM de nanoparticules Au, Au@CdS à coque mince et homologues CdS, respectivement. d Images MET de Au@CdS avec coque épaisse. c , e , f , g Image SEM, TEM, HR-TEM et profil EDS de nanofleurs Au@CdS-CdS. je Photographies de leurs couleurs de solution

Les modèles XRD des échantillons obtenus dans le processus de synthèse des nanofleurs Au@CdS-CdS ont été montrés sur la Fig. 3. Les pics XRD des nanoparticules Au ont été observés et les pics à 2θ = 38,2, 44,2 et 64,75 étaient dus ), (200) et (220), respectivement du cristal d'Au fcc (JCPDS 04-0784). Pour les cristaux de CdS, les pics à 2θ = 25, 26,5, 28,2, 43,8, 47,8 et 51,9 étaient dus aux plans (100), (002), (101), (110), (103) et (112) de le cristal de wurtzite CdS (JCPDS 41-1049). Des pics de diffraction des cristaux de fcc Au et de wurtzite CdS ont été observés dans les diagrammes XRD des nanofleurs Au@CdS et Au@CdS-CdS, respectivement. Il convient de noter que l'intensité du pic de diffraction du plan cristallin (002) était bien plus élevée que les autres pics dans les nanocristaux Au@CdS-CdS. Cela a indiqué que le pic de diffraction du plan cristallin (002) est proéminent et que les nanotiges de CdS ont été développées dans la direction [001], ce qui était conforme au résultat HR-TEM.

Modèles XRD de nanofleurs Au, CdS, Au@CdS et Au@CdS-CdS

Propriétés optiques de l'échantillon

Les propriétés optiques des cinq échantillons ont été analysées par des mesures UV-Vis, comme le montre la figure 4. La position du bord de bande des colloïdes CdS était inférieure à 500 nm. Les colloïdes d'Au à 50 nm présentent une absorption par résonance plasmonique de surface (SPR) centrée à 530 nm. Le revêtement des nanosphères d'Au avec une fine couche de CdS a entraîné un décalage vers le rouge du pic du plasmon à 568 nm. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la coque du CdS, la position du SPR s'est encore déplacée vers le rouge à 623 nm et 635 nm dans les nanofleurs Au@CdS épaisses et Au@CdS-CdS, respectivement. Les résultats expérimentaux ont montré qu'avec l'augmentation de l'épaisseur de la coque CdS, le pic d'absorption SPR des nanoparticules d'Au présentait un décalage vers le rouge continu, car la position SPR du métal dépendait de la taille, de la forme et du milieu environnant du métal. Des phénomènes similaires ont été observés dans Au@SiO₂ , Au@Cu₂ O, et Au-Fe₃ O₄ systèmes hybrides de nanostructures [35,36,37]. La position du bord de bande des nanofleurs Au@CdS-CdS a atteint jusqu'à 850 nm, ce qui pourrait mieux récolter la région visible de la lumière du soleil (400-760 nm) pour améliorer l'activité photocatalytique.

Les spectres d'absorption UV-Vis des échantillons :homologues CdS, nanoparticules Au, et nanofleurs Au@CdS et Au@CdS-CdS, respectivement

Propriétés de transfert de charge induit par la lumière

Les spectres de photoluminescence (PL) des nanofleurs Au@CdS-CdS synthétisées, des CSN Au@CdS, des homologues CdS et des colloïdes Au ont été présentés sur la figure 5a. Les colloïdes d'or avaient un pic PL faible à ~ 600 nm. Le spectre PL des homologues CdS a montré une bande d'émission dominante à 530 nm et un pic d'épaulement plus petit à 598 nm. La bande à 530 nm pourrait être attribuée à l'émission de bande excitonique typique du CdS. L'épaulement à 598 nm pourrait être dû à une émission piégée résultant de défauts structurels dans le cristal de CdS. Cependant, l'intensité spectrale PL de la structure hybride a été significativement réduite et l'émission radiative du CdS dans les nanofleurs Au@CdS-CdS a été éteinte plus que celle des CSN Au@CdS. Étant donné que le niveau de Fermi d'Au était situé à + 0,5 V par rapport à l'électrode à hydrogène normalisée (NHE), il était inférieur au niveau de bande de conduction de CdS (− 1,0 V contre NHE). Après l'excitation du CdS, les électrons libres dans la bande de conduction seraient transférés vers le noyau Au en raison de la différence d'énergie [32, 38]. Le mécanisme de transfert de charge photoinduit a conduit à une diminution de la probabilité de recombinaison électron-trou et à la suppression de l'émission d'excitons dans le CdS. La probabilité de recombinaison de l'électron et du trou photogénérés était plus grande dans les CSN Au@CdS, probablement en raison de la teneur élevée en CdS. Les nanostructures hybrides Au@CdS-CdS en forme de fleur offrent une plate-forme de recherche idéale pour l'étude du mécanisme de transfert de charge photoinduit pour l'hétérojonction métal-semiconducteur. Les résultats de la réponse photocourante transitoire obtenue à partir des nanofleurs Au@CdS-CdS, Au@CdS épais et homologues CdS ont été présentés sur la figure 5b. Il était facile d'observer que le photocourant sur Au@CdS-CdS était considérablement amélioré par rapport à celui des homologues Au@CdS épais et CdS. Le photocourant amélioré sur le nanocomposite Au@CdS-CdS impliquait une séparation plus efficace des paires électron-trou photoinduites et une durée de vie plus longue des porteurs de charge photogénérés que celle du blank-CdS, ce qui était bénéfique pour son activité photocatalytique.

un Les spectres PL des colloïdes Au, Au@CdS épais, Au@CdS-CdS et homologues CdS, respectivement. b Comparaison de la réponse photocourante transitoire des nanofleurs Au@CdS-CdS, Au@CdS épais et homologues CdS irradiées avec de la lumière visible de λ ≥ 400 nm dans 0,2 M Na₂ SO₄ solution aqueuse sans biais versus Ag/AgCl

Application des matériaux

Les nanofleurs Au@CdS-CdS ont une capacité de piégeage de la lumière visible améliorée et des propriétés de séparation de charge photo-induites, qui ont une valeur potentielle dans certaines applications. L'activité photocatalytique de Au@CdS-CdS sous une irradiation de 400 à 780 nm a été détectée en utilisant le colorant Rhodamine 6G comme cible de photodégradation. À titre de comparaison, des nanoparticules d'Au, des homologues CdS et Au@CdS d'épaisseur ont également été testés dans les mêmes conditions. La figure 6a était les spectres d'absorption UV-Vis des solutions R6G sous différents temps d'irradiation en utilisant des nanofleurs Au@CdS-CdS. L'intensité du pic d'absorption de la solution R6G a diminué rapidement avec le temps d'éclairage, et son pic d'absorption caractéristique est également passé de 528 nm à 507 nm. Après 40 min, la concentration de R6G n'a pratiquement pas changé, ce qui suggère que la réaction de dégradation était terminée. La figure 6b a montré le changement normalisé de la concentration des solutions de R6G avec des nanoparticules d'Au, des contreparties CdS et des nanofleurs Au@CdS épaisses et Au@CdS-CdS. Sans catalyseur, le changement de concentration de R6G pourrait être négligeable. Parmi les catalyseurs, le taux de photodégradation des nanofleurs Au@CdS-CdS était significativement plus rapide que celui des autres matériaux. Après 40 min, 86 % de la solution R6G étaient dégradés dans le système de nanofleurs Au@CdS-CdS, alors que seulement 71 %, 46 % et 12 % de la solution R6G étaient dégradés dans les homologues Au@CdS épais, CdS et Au système de nanoparticules, respectivement.

un Spectres d'absorption de solutions R6G à différents temps d'irradiation en utilisant des nanofleurs Au@CdS-CdS comme photocatalyseur sous irradiation de 400-780 nm. b C _t /C ₀ tracés en fonction du temps d'irradiation pour la photodégradation R6G en présence de différents photocatalyseurs

Comme le montre la figure 6b, les nanostructures hybrides ont présenté une activité photocatalytique supérieure par rapport aux nanostructures correspondantes à un seul composant. L'intégration de nanocristaux métalliques plasmoniques dans des nanostructures semi-conductrices a grandement amélioré les performances photocatalytiques de ces dernières grâce au LSPR des premières [39, 40]. La lumière concentrée et diffusée des nanoparticules d'or a contribué à augmenter l'absorption lumineuse du CdS, ce qui a conduit à générer plus d'excitons. L'hétérojonction entre Au et CdS favoriserait la séparation et le transfert de charges. De plus, le taux photocatalytique des nanofleurs Au@CdS-CdS était évidemment supérieur à celui des Au@CdS d'épaisseur, bien qu'elles aient la même taille et une plage d'absorption spectrale similaire. Cela pourrait être lié à la morphologie spéciale des nanofleurs Au@CdS-CdS qui avaient une plus grande surface spécifique, ce qui signifie qu'elles pourraient fournir plus de sites de réaction. À la même masse, la surface des nanofleurs était plus de 4,67 fois celle des nanosphères. Des calculs détaillés ont été présentés dans le fichier supplémentaire 1. Par conséquent, les nanofleurs Au@CdS-CdS ont une excellente activité photocatalytique parmi tous les échantillons.

Il existe plusieurs mécanismes primaires tels que le mécanisme de champ proche, la diffusion de la lumière et l'injection d'électrons chauds qui peuvent être décrits pour la réaction photocatalytique améliorée par plasmon. Pour tester la plage d'absorption élargie des nanofleurs Au@CdS-CdS, qu'elles améliorent ou non l'activité photocatalytique, nous avons effectué des tests photocatalytiques sous un éclairage de λ = 600-780 nm. La figure 7a a montré l'absorption UV-Vis de R6G dégradée par des nanofleurs Au@CdS-CdS sous l'éclairage de λ = 600-780 nm. L'activité photocatalytique pour la dégradation de R6G par quatre photocatalyseurs a été montrée sur la figure 7b. Après une irradiation de 60 minutes, la dégradation des nanoparticules d'Au, des homologues CdS, des nanofleurs Au@CdS épais et Au@CdS-CdS était de 9,8 %, 15 %, 34 % et 45 %, respectivement. Le taux de photodégradation dans les systèmes de nanostructures hybrides était plus rapide que celui des cristaux à un seul composant. L'activité photocatalytique des nanostructures hybrides a été améliorée par la plage d'absorption élargie car le CdS n'était pas excité lorsque la lumière incidente était supérieure à 516 nm. Alors que le pic d'absorption SPR des nanoparticules d'Au dans les nanofleurs Au@CdS-CdS était d'environ 650 nm. Sous l'éclairage de 600 à 780 nm, des électrons chauds étaient générés à partir d'Au et seraient transférés vers la bande de conduction de CdS pendant la relaxation [41, 42]. Afin d'évaluer davantage la durabilité et la réutilisation de ces photocatalyseurs, le même échantillon a été centrifugé et redispersé dans 20 mL H₂ O contenant 10 ⁻⁵ M R6G pour les tests de cyclisme multiples. La figure 8a a démontré que l'efficacité de la photodégradation de R6G reste presque inchangée au cours des trois cycles de test consécutifs, suggérant la haute stabilité des nanostructures Au@CdS-CdS.

un Spectres d'absorption de solutions R6G à différents temps d'irradiation en utilisant des nanofleurs Au@CdS-CdS comme photocatalyseur sous irradiation de 600-780 nm. b C _t /C ₀ tracés en fonction du temps d'irradiation pour la photodégradation R6G en présence de différents photocatalyseurs

un Le cycle s'exécute pour la dégradation photocatalytique du colorant R6G sur les nanofleurs Au@CdS-CdS sous irradiation de lumière visible (400-780 nm). b Deux mécanismes de séparation de charge pour les nanofleurs Au@CdS-CdS sous 400-780 nm et 600-780 nm d'irradiation, respectivement

L'Au plasmonique et le semi-conducteur à bande interdite étroite CdS sont tous deux sensibles à la lumière visible dans la nanostructure Au-CdS. Ainsi, deux mécanismes distincts de séparation et de transfert de charge photoinduits dans les nanofleurs Au@CdS-CdS devraient exister en fonction de l'énergie d'excitation incidente, comme le montre la figure 8b. Pour un cas particulier, si seul le CdS est excité, les électrons seront transférés de la bande de conduction du CdS vers l'Au. De même, si seul Au est excité, les électrons passeront de l'état de plasmon de surface de Au à la bande de conduction de CdS. Mais le cas devient plus compliqué lorsque Au et CdS sont excités ensemble. Le transfert d'électrons dans les deux sens est possible, bien que plus probable soit le transfert du semi-conducteur au métal [43,44,45]. Les probabilités accrues de séparation des charges amélioreront l'activité photocatalytique des nanostructures hybrides métal-semi-conducteur, car les électrons et les trous séparés auront de fortes probabilités de participer à des réactions catalytiques. Habituellement, les trous peuvent oxyder les contaminants organiques ou les molécules d'eau pour former ^· OH, et en même temps, les électrons photogénérés sont facilement capturés par les substances oxydantes ou d'autres substances actives pour produire O₂ ^·- . Le O₂ ^·- et ^· Les OH ont des efficacités d'oxydation élevées et d'excellentes activités chimiques, qui peuvent oxyder la grande majorité des colorants organiques. La synthèse de nanofleurs hiérarchiques Au@CdS-CdS offrira une nouvelle perspective pour la conception rationnelle et la synthèse contrôlée de nanostructures hybrides à hautes propriétés photocatalytiques.

Conclusion

Des nanofleurs hiérarchiques Au@CdS-CdS ont été préparées avec succès par une méthode par étapes. Dans les nanohybrides obtenus, des nanotiges de CdS ont été épitaxiées à la surface de CSN Au@CdS. Les nanofleurs Au@CdS-CdS ont présenté une excellente activité photocatalytique vis-à-vis de la dégradation de R6G sous l'irradiation de λ = 400-780 nm et λ = 600-780 nm, respectivement. Les nanofleurs Au@CdS-CdS hiérarchiques présentaient trois avantages :premièrement, l'hétérostructure améliorait la séparation et le transfert des paires électron-trou photogénérées ; deuxièmement, la structure hiérarchique fournit plus de sites de réaction; et troisièmement, la plage d'absorption élargie a amélioré la capacité de capturer la lumière. En outre, nous avons proposé un mécanisme possible pour la synthèse par étapes de nanofleurs Au@CdS-CdS, qui pourrait être utilisé pour préparer d'autres nanohybrides métal-semi-conducteur avec une morphologie complexe pour les futurs domaines de l'énergie propre et de la restauration environnementale.

Abréviations

CSN :

Nanoprticles cœur-coquille

Cys :

l-cystéine

Cys/Cd ²⁺ :

l-cystéine-Cd ²⁺

EDS :

Spectromètre à dispersion d'énergie

Fr :

Éthylènediamine

FE-SEM :

Microscope électronique à balayage à émission de champ

HR-TEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

NP :

Nanoparticules

PL :

Photoluminescence

TEM :

Microscope électronique à transmission

UV-Vis :

Ultraviolet-visible

XRD :

Diffraction des rayons X