Matériaux stratifiés WO3/p-Type-GR pour la dégradation photocatalytique favorisée des antibiotiques et dispositif pour le mécanisme Insight

Introduction

La collecte d'énergie solaire pour produire de l'électricité, l'une des voies prometteuses du développement intelligent et durable, a suscité de nombreux intérêts de recherche. À cette fin, la séparation photocatalytique de l'eau génère de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'eau, qui joue un rôle de plus en plus important en tant qu'énergie propre [1]. Dans cet aspect, les photocatalyseurs à faible coût et à haute efficacité sont les représentants typiques, par exemple, WO₃ et TiO₂ [2]. De nombreux rapports ont montré que la formation de composites semi-conducteurs peut efficacement obtenir de nouveaux systèmes photocatalyseurs actifs en raison de l'amélioration de la séparation des porteurs de charge [3]. Le graphène (GR), le matériau le plus fin et le plus résistant, possède de nombreuses propriétés chimiques et physiques extraordinaires pour sa structure bidimensionnelle unique avec un réseau de carbone en nid d'abeille. Matériau semi-conducteur à base d'oxyde complexe de graphène, par exemple WO₃ /GR, a été signalé comme l'un des meilleurs photocatalyseurs dans la séparation photoélectrochimique de l'eau à haute efficacité pour sa résilience à l'effet de photocorrosion et ses comportements de transport d'électrons efficaces [4, 5]. Ainsi, le nanocomposite hybride semi-conducteur à oxyde complexe de graphène a suscité un grand intérêt pour la recherche pour son énorme potentiel au cours de la dernière décennie pour diverses applications, par exemple, NO₂ capteur, matériaux électrochromes, supercondensateur et photocatalyseur [6,7,8,9,10,11,12].

Compte tenu des performances photocatalytiques supérieures du WO₃ /GR, de nombreuses études ont été menées pour révéler le mécanisme sous-jacent selon lequel le graphène améliore WO₃ caractéristiques associées au transfert de charge photo-généré, et plusieurs explications bien établies ont été avancées. Par exemple, Wu et al. ont considéré que le graphène pouvait servir de matériau accepteur d'électrons et réduire la recombinaison des paires électron-trou photo-excitées, augmentant ainsi l'efficacité de la photoconversion [13]. De plus, WO₃ les nanotiges peuvent fournir une autre voie électronique possible entre WO₃ et des nanofeuillets rGO couplés, présentant ainsi une excellente activité catalytique à la lumière visible pour la production d'hydrogène et clarifiant le mécanisme catalytique du schéma Z [14,15,16,17].

En outre, quelques expériences ont été réalisées pour expliquer les mécanismes des matériaux semi-conducteurs à base d'oxyde et du nanocomposite hybride de graphène [18, 19]. Pang et al. a utilisé la technique de marquage isotopique de l'oxygène 18 comme un outil puissant pour analyser les mécanismes photocatalytiques complexes sur le TiO₂ superficiel [20]. Récemment, plusieurs groupes ont rapporté que la lumière peut être utilisée pour réaliser le dopage de charge dans le graphène, ce qui peut améliorer la compréhension et l'utilisation des jonctions Schottky du graphène pour l'optoélectronique et l'électronique [21, 22]. De plus, le dopage photo-induit provient d'un matériau absorbant la lumière sur les interfaces d'hétérostructure du graphène, et il a récemment présenté des caractéristiques de dispositif et des effets physiques uniques. Les charges photogénérées par l'interaction lumière-matière sont transférées au graphène, conduisant ainsi à une personnalisation de la structure électronique du graphène. Il est à noter que cette approche de dopage sans contact, facile à contrôler, garantira l'absence de défauts supplémentaires [23].

Dans cette étude, les matériaux stratifiés WO₃ /GR ont été déposés, dont les caractéristiques ont été étudiées sous la spectroscopie Raman, la spectroscopie UV-vis et SEM. Tous les résultats montrent que le p-graphène émerge et améliore les caractéristiques du WO₃ /GR film. Les activités photocatalytiques des matériaux stratifiés ont été évaluées par la dégradation photocatalytique d'antibiotiques oxytétracyclines sous irradiation de lumière UV. Les caractéristiques de la voltamétrie cyclique et des spectres d'impédance électrochimique du WO₃ tel que cultivé /GR directement fabriqués sur des feuilles de Cu sous lumière UV en utilisant un comportement électrochimique ont été obtenus ici et comparés aux WO₃ traditionnels catalyseurs. Pour explorer les mécanismes de transfert de charges associés au dopage photo-induit, les empilements de matériaux en couches de grande surface WO₃ /GR ont été conçus sur le substrat Si en utilisant une approche CVD modifiée, et WO₃ /GR et WO₃ dispositifs ont été développés en déposant un matériau d'électrode de feuille d'or à des fins de comparaison. Les caractéristiques de WO₃ /GR ont été analysés et comparés à ceux de WO₃ en raison des effets de dopage photo-induits en utilisant le test courant-tension. Les comportements de transport de charge du p-graphène peuvent être modifiés pour améliorer la capacité photocatalytique. De plus, le graphène a été utilisé comme accepteur d'électrons photogénéré et a efficacement supprimé la recombinaison de charge dans le WO₃ Matériaux stratifiés /GR.

Section expérimentale

Caractérisation de WO₃ /GR transistor à lamelles minces :dans un premier temps, des films de graphène de grande surface de l'ordre du centimètre ont été formés sur des substrats de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur à l'aide de méthane. Les films de graphène ont été retirés des feuilles de Cu en SiO₂ Substrat /Si par gravure dans une solution aqueuse de nitrate de fer. Le WO₃ un film mince a été formé à partir de 50  nm WO₃ poudre sur une plaquette de Si propre avec un SiO₂ 275 nm , couche supérieure de graphène [24]. Pendant le dépôt, l'argon a été utilisé comme gaz protecteur. Par la suite, les électrodes (Cr/Au (5/50  nm)) ont été modelées avec une photolithographie standard, un dépôt de métal par faisceau d'électrons et un décollement. A titre de comparaison, le WO₃ pur dispositif sans graphène a été préparé dans les mêmes conditions.

Les bandes interdites des films fabriqués ont été obtenues en mesurant l'absorbance à l'aide d'un instrument UV-vis (UV-2600, SHIMADZU Inc.). La morphologie et la microstructure des films nanostructurés ont été évaluées avec une microscopie électronique à balayage à émission de champ JEOL JSM-7600F (FE-SEM). Les mesures Raman ont été effectuées dans un système Witec dans une configuration de rétrodiffusion. L'excitation a été réalisée par la lumière laser visible (λ = 532 nm). Tous les spectres ont été enregistrés à de faibles niveaux de puissance pour éviter la modification ou l'ablation induite par laser des échantillons.

Des tests d'activité photocatalytique ont été réalisés sous lumière UV. Une quantité définie de photocatalyseur a été mise en suspension dans 20 mL de solution d'antibiotique (oxytétracycline, 15 mg/L) dans un test d'activité typique. La suspension a été laissée dans l'obscurité pendant 1 h pour atteindre l'équilibre d'adsorption, et la réaction photocatalytique a été initiée sous lumière UV pendant 160 min. La source lumineuse était une lampe au mercure de 250 W. En mesurant les changements dans le spectre d'absorption UV-vis en fonction du temps d'irradiation, cette étude a surveillé la dégradation des antibiotiques.

Mesures électrochimiques

Toutes les mesures électrochimiques ont été effectuées dans un système à trois électrodes pour le poste de travail électrochimique CHI 604E (CH Instruments), dans lequel WO₃ /GR/Cu foil et WO₃ Une feuille de /Cu a servi d'électrode de travail, une feuille de Pt de contre-électrode et un Ag/AgCl saturé d'électrode de référence. Tous les potentiels ont été calibrés par une électrode à hydrogène réversible (RHE). Voltamétrie à balayage linéaire avec une vitesse de balayage de ~ 0,1 V s ⁻¹ , de + 0,20 à − 0,20 V vs. RHE a été réalisée dans 0,5 M H₂ SO₄ . Les tracés de Nyquist ont été obtenus à des fréquences comprises entre 100 kHz et 0,1 Hz à la surtension de 40 mV. Pour extraire la série et la résistance de transfert de charge, les données d'impédance adaptées à un circuit Randles simplifié.

Mesure optoélectronique

Toutes les caractérisations électroniques et optoélectroniques ont été réalisées dans une station de sonde sous vide et à température ambiante. Le photocourant a été enregistré par l'analyseur de semi-conducteur Agilent 1500 A. L'excitation lumineuse a été réalisée par la lampe 253 nm utilisée pour l'excitation UV.

Résultats et discussion

La caractéristique du WO₃ /GR Film

Le processus de dépôt de WO₃ /GR et WO₃ films par CVD est montré dans la Fig. 1a. Les figures 1b et c donnent des photographies SEM du WO₃ tel que déposé /GR couches minces. On constate que le WO₃ Les matériaux à couche mince /GR sont ici uniformes et lisses. De plus, à partir de l'inspection, de petites fissures d'environ 100  nm ont été trouvées à la surface de WO₃ /GR. Les figures 1d, e et f montrent le mappage élémentaire de C, O et W sur le WO₃ /surface GR. De toute évidence, W et O sont uniformément répartis sur la surface avec un pourcentage plus élevé. Puisque le graphène est cultivé en dessous de WO₃ , l'élément C se trouve à la position des interstices des fissures avec un faible pourcentage [25].

Schéma de la synthèse et des morphologies SEM des WO₃ /GR hétérostructures. un Le 50 nm WO₃ la poudre est positionnée dans la même nacelle en céramique du côté entrée du four tubulaire. b × 60 000 et c × 5000 images SEM. d C e O f Mappage élémentaire WEDS de WO₃ /GR

La figure 2a montre une région sélectionnée des spectres Raman du WO₃ /GR, ainsi que WO₃ pur . En général, le graphène monocouche a deux pics à près de 1348 cm ⁻¹ et 1586 cm ⁻¹ , suggérant que le rapport d'intensité de I_G /I_D pic est d'environ 2 d'un spectre Raman. Pics similaires à la bande D (environ 1370 cm ⁻¹ ) et bande G (environ 1599 cm ⁻¹ ) ont été observés dans le WO₃ /GR composite. D'après les spectres de la figure 2a, le I_G /I_D ratio diminué de 2 pour le graphène à 1,2 pour le WO₃ /GR composite. Ainsi, plus le I_G est petit /I_D rapport d'intensité de pic d'un spectre Raman, plus les défauts et les désordres des structures graphitées seront élevés dans le WO₃ /GR composite en raison de la température élevée de près de 400°C. En raison du mode d'étirement O–W–O dans l'échantillon de WO₃ /GR composite, vibrations Raman centrées à 815 cm ^− 1 , la caractéristique du WO₃ pur a été détecté, qui a été constamment rétréci dans l'échantillon de WO₃ /GR composite. Il est à noter que la bande G de WO₃ /GR était passé de 1584 à 1599 cm ⁻¹ par rapport au graphène. Ce décalage vers le haut de la bande G était la preuve générale du dopage chimique des matériaux carbonés. La tendance ici est cohérente avec les études précédentes avec le dopage de type p du graphène, conduisant à une augmentation de la bande G. Selon le décalage de bande G de Raman, transfert de charge entre le graphène et le WO₃ dans le WO₃ /GR composite a été démontré [26, 27]. Le pic 2D s'est déplacé vers des longueurs d'onde plus longues, ce qui vérifie également que le graphène était effectivement dopé p. La bande 2D située à 2691 cm ⁻¹ pour le graphène vierge (non dopé) et rond à 2700 cm ⁻¹ pour le graphène dopé p, respectivement [28].

un Les spectres Raman d'échantillons tels que préparés. b Image de cartographie Raman G-peak d'échantillons tels que préparés. c Spectres d'absorption UV-vis d'échantillons tels que préparés. d Détermination de l'écart énergétique des échantillons

Les données Raman de WO₃ /GR composites ont été extraits dans la cartographie d'intensité, et la figure 2b montre l'image de cartographie du pic Raman G du WO₃ /GR composites obtenus à partir de la bande G du graphène. Les régions « brillantes » à haute intensité illustrent la présence du graphène, et il peut être confirmé que du graphène dopé p et des défauts existent dans les matériaux en couches en raison des régions locales très lumineuses. De plus, les régions « sombres » sont liées au WO₃ informations, qui présentent la large distribution de surface du graphène dans les matériaux en couches [29].

Les spectres UV-vis ont été traités comme une méthode clé pour obtenir les propriétés d'absorption de la lumière des photocatalyseurs. Pour analyser l'interaction du graphène et du WO₃ , les spectres d'absorption UV-vis ont été enregistrés comme le montre la figure 2c. L'équation αhʋ = A × (hν-Eg) ^{n /2} a été utilisé, où α, , Eg, et A sont respectivement le coefficient d'absorption, la fréquence lumineuse, la bande interdite et une constante [30]. Le (αhν) ^1/2 Les courbes -hν des échantillons tels que préparés sont illustrées à la figure 2d. D'après les résultats, l'absorption lumineuse de WO₃ /GR dans la région de la lumière visible était plus sensible que celle du WO₃ pur . Le mélange de graphène sur le WO₃ amélioré la capacité d'absorption à la lumière. Par rapport au WO₃ pur , la bande interdite de WO₃ /GR a été rétréci de 3,88 à 3,68  eV (Fig. 2d). Selon le redshift et l'amélioration de l'absorption lumineuse, WO₃ /GR présente l'activité améliorée pour séparer les électrons et les trous.

La dégradation des antibiotiques Oxytétracycline

Les rôles détaillés liés au graphène dopé dans les photocatalyseurs semi-conducteurs à oxyde semblent être compliqués, de sorte que davantage de travaux de recherche fondamentale sont développés dans cette direction. Les capacités photocatalytiques des photocatalyseurs à base de graphène peuvent être améliorées en renforçant à la fois la conductivité électronique et la mobilité des porteurs. Le graphène conducteur peut recevoir les électrons photo-excités comme réservoirs lors du couplage du graphène et des semi-conducteurs. En conséquence, la concentration d'électrons photo-excités a diminué dans le semi-conducteur, supprimant ainsi de manière significative leurs corrosions réductrices [31]. Activité photocatalytique et cinétique de réaction du WO₃ /GR, WO₃ ont été observés lors de la dégradation des antibiotiques oxytétracycline en utilisant la lumière UV (365 nm) comme le montre la Fig. 3. L'activité photocatalytique du composite avec photocatalyseur et sans photocatalyseur a été déterminée ici en lumière UV pour la comparaison. Après un intervalle de temps spécifique sous lumière UV, l'intensité maximale de l'oxytétracycline associée aux caractéristiques d'absorption UV-vis de la molécule d'oxytétracycline à 275 nm a progressivement diminué après 160 min, comme le montrent les figures 3a et b. Par rapport à WO₃ , WO₃ /GR a conduit à une forte dégradation de l'oxytétracycline. La cinétique de dégradation de l'oxytétracycline sous lumière UV peut être obtenue par réaction de pseudo-premier ordre, où C0 et C sont initiaux et la concentration à un temps de dégradation donné t et k est la constante de vitesse, respectivement. Le diagramme de ln(C/C0) a été tracé en fonction de t (Fig. 3c).

un Spectres UV–vis de la dégradation des antibiotiques en présence de WO₃ matériaux composites. b Spectres UV–vis de la dégradation des antibiotiques en présence de WO₃ /GR composites. c Cinétique de tel que préparé WO₃ et WO₃ /GR

Le graphique pour WO₃ /GR, WO₃ ajusté linéairement, où le coefficient de corrélation de R ² et la valeur de la constante de vitesse k (k _vide =  − 0.0034 min ⁻¹ , \( {k}_{{\mathrm{WO}}_3}=-0.0045\ {\min}^{-1} \), \( {k}_{{\mathrm{WO}}_3/\ mathrm{GR}}=-0.0054\ {\min}^{-1} \)) montrent l'activité catalytique plus élevée de WO₃ /GR en comparaison avec WO₃ . C'est parce que la formation d'hétérojonctions favorise la séparation des électrons et des trous. Les trous peuvent générer ^• OH, qui est considéré comme la principale espèce réactive pour les réactions d'oxydation.

Comportement électrochimique des matériaux en couches

La voltampérométrie cyclique est considérée comme la méthode d'analyse des caractéristiques photoélectrocatalytiques de WO₃ /GR/Cu et WO₃ /Cu électrodes pour la réduction de l'hydrogène, comme indiqué sur les Fig. 4a et b. Sous l'action de la lumière UV, le courant de l'électrode Cu sous lumière ultraviolette (8.5 mA) est plus important que celui dans l'obscurité (4 mA). Le courant de WO₃ L'électrode /Cu a montré une légère différence entre une condition sombre et la lumière UV. De plus, WO₃ L'électrode /GR/Cu a montré une surtension inférieure à − 0,08 V que WO₃ /Cu électrode à − 0,06 V. La réduction de l'hydrogène du catalyseur a généré la réponse WO₃ site redox. D'après tous les résultats ci-dessus, il était clair que WO₃ L'électrode /GR/Cu était plus efficace et montrait des propriétés fonctionnelles améliorées par rapport à celle de WO₃ /Cu. Cela suggère que la présence de graphène sous lumière UV a entraîné une valeur de potentiel plus faible et des courants de réduction accrus sous des effets de dopage photo-induits qui ont excité plus d'électrons de WO₃ au graphène.

Application électrocatalytique de matériaux stratifiés synthétisés par CVD WO₃ /GR et WO₃ . un , b Courbes CV de WO₃ tel que cultivé /GR, WO₃ sur feuille de Cu. c , d spectres d'impédance électrochimique de WO₃ /GR, WO₃ flocons ainsi que le substrat en feuille de Cu

Les caractéristiques interfaciales de l'électrode modifiée, qui étaient d'une grande importance pour la conductivité électrique, et les propriétés électrocatalytiques de l'électrode modifiée ont été analysées ici par EIS. La cinétique de transfert d'électrons et les caractéristiques de diffusion peuvent être déduites de la forme du spectre d'impédance électrochimique. La partie semi-circulaire, Ret, obtenue à des fréquences plus élevées représente un processus limité par le transfert d'électrons, et la partie linéaire à des fréquences plus basses a été attribuée au transfert de masse limité de l'ion échantillon tel que préparé [32, 33]. Les figures 4c et d montrent les résultats de l'EIS pour les électrodes de WO₃ /GR/Cu et WO₃ /Cu. WO₃ L'électrode /GR/Cu montre un meilleur arc en demi-cercle déprimé par rapport à la WO₃ Électrode /Cu, représentant un excellent processus de transfert d'électrons par diffusion sur le WO₃ /GR/Cu surface de l'électrode. Sous lumière UV, WO₃ L'électrode /Cu montre toujours l'arc de demi-cercle enfoncé inférieur (Ret de 50(Z′/Ω)) par rapport à Ret (75(Z′/Ω)) dans l'obscurité. Notez que sous la lumière UV, WO₃ L'électrode /GR/Cu montre un arc de demi-cercle relativement évident (Ret = 42(Z′/Ω)), indiquant un comportement de résistance de transfert d'électrons plus élevé que celui de Ret (38(Z′/Ω)) dans l'obscurité. L'augmentation de la valeur de la résistance de transfert d'électrons (Ret) due aux effets de dopage photo-induits a amélioré le niveau d'énergie de Fermi du graphène sur la surface de l'électrode sous lumière UV. Ces résultats ont également démontré que le graphène peut améliorer le taux de transfert d'électrons entre l'électrode et le WO₃ , ce qui est cohérent avec les résultats du CV.

Les comportements de transfert de charge de WO₃ /GR Composite Device

Comportements de transfert de charges dans le WO₃ Les matériaux stratifiés /GR peuvent être examinés sous une lumière UV, comme le montre la Fig. 5. Les caractéristiques I–V et I–T typiques de l'appareil fabriqué à partir de WO₃ /GR composite et le dispositif de référence avec WO₃ pur ont été mesurés dans l'obscurité et sous lumière UV à 253 nm avec une intensité de 0,3 mW/cm ² comme le montrent les Fig. 5a et b [34]. Le photocourant du WO₃ Le dispositif composite /GR était près de 106 fois plus élevé que celui du dispositif de référence à partir de WO₃ pur . A noter que le photocourant était inférieur au courant d'obscurité du WO₃ /GR composite, qui est significativement différent du dispositif de référence du pur WO₃ . Les caractéristiques I-V typiques de l'appareil étaient similaires aux caractéristiques I-T (Fig. 5c, d). Le WO₃ /GR La résistance R avec un éclairage optique était plus grande que celle dans l'obscurité en raison de l'effet de dopage photo-induit. Le WO₃ /GR La résistance R a montré une valeur constante d'environ des milliers d'ohms avec une excitation optique et des conditions d'obscurité. Cependant, l'appareil de référence, le WO₃ pur la résistance présentait toujours des caractéristiques essentielles des semi-conducteurs [35].

Observation expérimentale des caractéristiques dans WO₃ /GR par rapport au WO₃ pur appareil. un Photocourant de WO₃ /GR. b Photocourant de WO₃ . c Photorésistance de WO₃ /GR. d Photorésistance de WO₃

La figure 6 montre les caractéristiques de WO₃ /GR après dopage par modulation photo-induite. Route actuelle et répartition des charges dans le WO₃ /GR sous lumière UV sont illustrés aux Fig. 6a et b. Charges positives accumulées dans WO₃ sous éclairage. Le courant plus élevé du WO₃ Le dispositif composite /GR doit être attribué à la conductivité améliorée du composite par GR. Graphene peut créer un contact Schottky à l'interface avec WO₃ , formant ainsi la résistance R _GT [36]. L'appareil peut être modélisé par le circuit comme le montre la figure 6c. En raison de WO₃ résistance R _W>>(R _GT + R _G ), le courant de l'appareil a été décidé par R _GT + R _G . Par conséquent, les propriétés de conductivité ont été considérablement améliorées en présence de graphène.

Caractéristiques de WO₃ /GR après dopage par modulation photo-induite. un , b Route actuelle et répartition des charges dans le WO₃ Dispositif /GR en cas de lumière UV. Les charges positives s'accumulent dans WO₃ sous un éclairage léger. Jaune, Cr/Au; vert, WO₃; rouge, graphène; bleu, SiO₂; gris, Si. c Modèle de circuit équivalent du WO₃ /GR appareil. d Schémas de la structure des bandes du WO₃ /GR hétérostructure et illustration du mécanisme de photodopage, dans lequel l'excitation optique excite d'abord des électrons à partir de défauts dans WO₃ . Les lignes rouges (bleues) représentent la bande de conduction (valence). Les électrons excités pénètrent dans le graphène, et les défauts chargés positivement conduisent à un dopage de modulation dans le graphène

Schémas de la structure des bandes du WO₃ Les composites hybrides /GR et le diagramme du mécanisme de dopage photo-induit sont présentés sur la figure 4d. Le WO₃ Le dispositif d'hétérostructure /GR sans éclairage lumineux est cohérent avec le résultat précédent d'un transistor stable en graphène dopé de type p, dans lequel des électrons ont été transférés du film mince de graphène au WO₃ . Initialement, le graphène était dopé par trous dans l'obscurité et un champ électrique est apparu du graphène au silicium. Comme le montre la Fig. 6d, lorsque l'appareil était sous lumière UV, d'une part, les électrons dans la bande de valence (VB) de WO₃ ont été excités vers la bande de conduction pour créer des paires électron-trou [37,38,39]. D'autre part, les électrons des défauts de type donneur dans WO₃ ont été excités par des photons vers la bande de conduction. Les défauts ionisés étaient chargés positivement et localisés dans le WO₃ . Ces électrons excités dans les deux cas peuvent être mobiles, se déplacer vers, puis entrer dans le graphène. Il a été suggéré qu'un transfert d'électrons photo-induit important s'est produit à partir de WO₃ au graphène au WO₃ Périphérique /GR [40].

Les électrons excités sont entrés dans le graphène et les défauts chargés positivement ont conduit à un dopage de modulation dans le graphène. Sous cette modulation de dopage dans le graphène, WO₃ /GR hétérojonction a émergé. Par la suite, les données expérimentales montrent une diminution de la conductivité avec l'augmentation de l'énergie de Fermi, EF du graphène, entraînant ainsi une lente diminution du photocourant UV. Ceci est bien cohérent avec le modèle théorique [41]. Il est donc suggéré que le comportement de transport de l'appareil sera totalement différent du WO₃ pur. lorsque le WO₃ L'appareil /GR est exposé à la lumière. Des effets dopants photo-induits ont également été rapportés par certains auteurs. Tiberj et al. ont rapporté que la densité de porteurs de charge du graphène peut être réglée de manière fine et réversible entre le trou et le dopage électronique en raison du dopage photo-induit, qui a été significativement affecté par la méthode de nettoyage du substrat [42]. Ju et al. ont montré que le dopage photo-induit peut maintenir la mobilité élevée des porteurs de l'hétérostructure graphène/nitrure de bore [43].

Sous l'effet de dopage induit par la lumière, la surface de WO₃ /GR, en tant que particules photosensibles primaires, a plus de trous photogénérés que le WO₃ pur surface sous lumière UV. Les sites les plus actifs du WO₃ /GR pores de surface, plus l'amélioration de la photosensibilité est efficace [44]. En général, le graphène conducteur, en tant que médiateur de transport d'électrons, pourrait prolonger considérablement la durée de vie des porteurs de charge photogénérés et renforcer l'extraction et la séparation des charges. Par exemple, Weng et al. assemblé le graphène-WO₃ nanotiges nanocomposites, qui ont amélioré les performances photocatalytiques en lumière visible par rapport au WO₃ nu nanotiges [45, 46]. Par conséquent, comment améliorer le processus de photodégradation du dopage photo-induit en dopant le graphène devrait être exploré. Cela peut être lié à l'intensité de la lumière UV, à la concentration de dopant, etc. [47, 48]. Chu et al. fabriqué GR–WO₃ composites mélangés avec différentes quantités de graphène (0, 0,1, 0,5, 1 et 3 wt%). De plus, le capteur basé sur 0,1 % en poids de GR–WO₃ le composite présente une bonne sélectivité et une réponse élevée par rapport à ceux du WO₃ pur [49, 50]. Cela peut être basé sur la raison pour laquelle la proportion excessive de graphène absorbée à la surface de WO₃ , diminuant le nombre de sites actifs. Par la suite, la bonne proportion de WO₃ et le graphène peut obtenir le meilleur effet expérimental. Akhavan et al. a également analysé les caractéristiques du TiO₂ Feuilles de /GO (oxydes de graphène) à différents temps d'irradiation [51]. Ils ont découvert que le GO peut être réduit de manière photocatalytique et que les défauts de carbone ont augmenté sous irradiation, ce qui a été considéré en partie à cause du dopage photo-induit ici [52]. En conséquence, cette étude développe une nouvelle voie pour explorer les comportements de transfert de porteurs et les effets de dopage photo-induits dans les matériaux de photodégradation à base de graphène.

Conclusion

Dans cette étude, les activités photocatalytiques des matériaux stratifiés ont été évaluées par la dégradation photocatalytique d'antibiotiques oxytétracycline sous lumière UV. Un courant de voltamétrie cyclique plus élevé et une grande résistance des spectres d'impédance avec le WO₃ tel que cultivé Des /GR directement synthétisés sur des feuilles de Cu sous lumière UV par comportement électrochimique ont été obtenus, ce qui était également différent des WO₃ traditionnels catalyseurs. Les caractéristiques de WO₃ Les matériaux stratifiés /graphène ont été étudiés par spectroscopie Raman, spectroscopie UV-vis et SEM. Tous les résultats montrent que le p-graphène émerge et améliore les caractéristiques du WO₃ /GR film. Les piles de WO₃ de grande surface Les matériaux stratifiés /GR ont été conçus sur le substrat Si en utilisant une approche CVD modifiée, et WO₃ /GR et WO₃ des films ont été fabriqués sur un matériau d'électrode en feuille d'or à des fins de comparaison. En raison des effets de dopage photo-induits, le test courant-tension a suggéré que la photorésistance était plus grande que la résistance à l'obscurité et que le photocourant était inférieur au courant d'obscurité basé sur le WO₃ Matériaux stratifiés /GR, qui étaient différents des caractéristiques de WO₃ matériaux en couches. Besides, charge transport behaviors of p-graphene could be modified to improve photocatalytic ability. Graphene serves as the photogenerated electrons acceptor and effectively suppresses the charge recombination in the WO₃ /GR layered materials. This study is considered a significant advance towards unraveling photocatalytic dynamics processes based on graphene and oxide semiconductor. Hopefully, these results can motivate scientists to explore high efficient catalysts for related applications.

Abréviations

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EF :

Fermi energy

GO :

Graphene oxides

GR:

Graphene

IG/ID:

D peak to G peak intensity ratio

RG:

Resistance of graphene

rGO:

Reduced graphene oxides

RW:

Resistance of WO₃

RWG:

Resistance of WO₃ /graphene

SEM :

Microscope électronique à balayage

UV :

Ultraviolet

VB :

Bande de Valence