Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hình thái và Chức năng Photoelectrochemical Tăng cường do Ion Nb Kích thích từ Nanostructure 3D Zn1−xNbxO
Tóm tắt
Việc doping các ion kim loại đất hiếm niobi vào các cấu trúc nano dựa trên ZnO được thực hiện thông qua một phương pháp hóa học đơn giản để đánh giá khả năng chuyển đổi quang điện hóa của chúng. Ảnh hưởng của các ion dopant đến hành vi tinh thể và các đặc điểm pha được nghiên cứu sâu bằng phân tích quang phổ Raman và phân tích nhiễu xạ tia X. Kích thước tinh thể của ZnO nguyên chất thu được là 24 nm và ZnO bị dop 5% Nb là 20 nm. Hình dạng hình học của các cấu trúc bị dop được suy luận bằng phân tích vi hiển vi điện tử độ phân giải cao. Quang phổ hấp thụ UV đã được nghiên cứu so sánh và các giá trị khoảng cách băng tương ứng từ 3.10 đến 3.02 eV đã được trích xuất từ biểu đồ Tauc. Sự tiến hóa của nhiều khuyết tật trong các cấu trúc nano đã được nghiên cứu thêm từ các quang phổ phát quang. Các biểu đồ Mott-Schottky phản ánh sự biến đổi trong điện dung phụ thuộc vào điện áp đã được sử dụng để đánh giá mật độ mang điện trong các cấu trúc nano tương ứng. Sử dụng kết quả quang phổ trở kháng điện hóa, các biểu đồ Nyquist được vẽ cho các cấu trúc nano có và không có doping để đánh giá tính chất và cơ chế của các đặc điểm chuyển giao điện tích trong các mẫu tương ứng. Nồng độ mang điện được đo của ZnO nguyên chất (0.3 × 1020 cm−3) đã tăng lên nhiều lần thông qua việc doping 5% ion Nb (3.7 × 1020 cm−3). Các cấu trúc nano đã được xử lý sau đó được quay đổ trên các nền trong suốt làm điện cực quang cho các nghiên cứu quang điện hóa (PEC). Các cấu trúc nano NbxZn1−xO làm điện cực quang đã thể hiện mật độ dòng điện quang cao lên tới 0.651 mA cm2 và cũng rất ổn định. Các chỉ số dòng điện quang mạnh cho thấy loại ion kim loại có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của điện cực quang.
Từ khóa
#Khoa học vật liệu #ZnO #niobi #cấu trúc nano #điện cực quang #quang điện hóa.Tài liệu tham khảo
A.B. Djurišić, A.M.C. Ng, X.Y. Chen, ZnO nanostructures for optoelectronics: material properties and device applications. Prog. Quantum Electron. 34, 191–259 (2010)
J. Wu, M. Gongb, ZnO/graphene heterostructure nanohybrids for optoelectronics and sensors. J. Appl. Phys. 130, 070905 (2021)
S. Shahzad, S. Javed, M. Usman, A review on synthesis and optoelectronic applications of nanostructured ZnO. Front. Mater. 8, 613825 (2021)
V.S. Sanjana Devi, B. Balraj, C. Siva, S. Amuthameena, Green hydrothermal synthesis of Ga doping derived 3D ZnO nanosatellites for high sensitive gas sensors. Sens. Actuat. B: Chem. 379, 133215 (2023). https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.133215
C. Cheng, R. Xin, Y. Leng, D. Yu, N. Wang, Chemical stability of ZnO nanostructures in simulated physiological environments and its application in determining polar directions. Inorg. Chem. 47, 7868–7873 (2008)
W. Lee, J. Yeop, J. Heo et al., High colloidal stability ZnO nanoparticles independent on solvent polarity and their application in polymer solar cells. Sci. Rep. 10, 18055 (2020)
S. Banumathi, J. Uma, A. Ravi, B. Balraj, C. Siva, P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, Rapid sun-light driven photocatalytic functions of 3D rGO/ZnO/Ag heterostructures via improved charge transfer kinetics. J. Mater. Res. Technol. 10, 1301–1309 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.12.062
S. Ameen, M.S. Akhta, H.K. Seo, M.K. Nazeeruddin, H.S. Shin, An insight into atmospheric plasma jet modified ZnO quantum dots thin film for flexible perovskite solar cell: optoelectronic transient and charge trapping studies. J. Phys. Chem. C 119, 10379 (2015)
C. Park, J. Lee, H.M. So, W.S. Chang, An ultrafast response grating structural ZnO photodetector with back-to-back Schottky barriers produced by hydrothermal growth. J. Mater. Chem. C 3, 2737 (2015)
S. Liang, H. Sheng, Y. Liu, Z. Huo, Y. Lu, H. Shen, ZnO Schottky ultraviolet photodetectors. J. Cryst. Growth 225, 110 (2001)
Y.H. Ko, G. Nagaraju, J.S. Yu, Fabrication and optimization of vertically aligned ZnO nanorod array-based UV photodetectors via selective hydrothermal synthesis. Nanoscale Res. Lett. 10, 323 (2015)
K.W. Liu, J.G. Ma, J.Y. Zhang, Y.M. Lu, D.Y. Jiang, B.H. Li, D.X. Zhao, Z.Z. Zhang, B. Yao, D.Z. Shen, Ultraviolet photoconductive detector with high visible rejection and fast photoresponse based on ZnO thin film. Solid State Electron. 51, 757 (2007)
A. Wibowo, M.A. Marsudia, M.I. Amal et al., ZnO nanostructured materials for emerging solar cell applications. RSC Adv. 10, 42838–42859 (2020)
A. Sandeep, P.K. Lehana, S.B. Rana, Synthesis of zinc oxide nanoparticles and their morphological, optical, and electrical characterizations. J. Electron. Mater. 46, 4604–4611 (2017)
A. Aamir, A. Singh, B. Padha, A.K. Sundramoorthy, A. Tomar, A. Sandeep, UV–vis spectroscopic method for detection and removal of heavy metal ions in water using Ag doped ZnO nanoparticles. Chemosphere 303, 135208 (2022)
F. Khurshid, M. Jeyavelan, L.H.M. Sterlin, N. Samuthira, Ag-doped ZnO nanorods embedded reduced graphene oxide nanocomposite for photo-electrochemical applications. R. Soc. Open. Sci. 6, 181764 (2019)
C. Vivek, B. Balraj, S. Thangavel, Structural, optical and electrical behavior of ZnO@Ag core-shell nanocomposite synthesized via novel plasmon-green mediated approach. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 30(12), 11220–11230 (2019)
C. Xueting, L. Zhongliang, Z. Xinxin, S. Shibin et al., Efficient synthesis of sunlight-driven ZnO-based heterogeneous photocatalysts. Mater. Des. 98, 324–332 (2016)
Y. Xiaochen, L. Zhe, D. Kuaile et al., Enhanced photocatalytic activity of AgZnO/RGO nanocomposites for removal of methylene blue. J. Mater. Sci: Mater. Electron. 29, 8729–8737 (2018)
Y.N. Digambar, B.D. Ramesh, S.T. Mohaseen, S.M. Imtiaz, S.S. Sharad, A greener approach towards the development of graphene, Ag loaded ZnO nanocomposites for acetone sensing applications. RSC Adv. 33, 3602–3606 (2019)
S.K. Divya, M.X. Marilyn, P.V. Vandana, Suresh synthesis of a ternary Ag/RGO/ZnO nanocomposite via microwave irradiation and its application for the degradation of rhodamine B under visible light. Environ. Sci. Pollut. Res. 24, 15360e8 (2017)
Y. Liu, Visible light activity and photoelectrochemical properties of nitrogen-doped TiO2. J. Phys. Chem. C 118, 19387 (2014)
C.W. Tse, Y.H. Leung, K.H. Tam, W.K. Chan, A.B. Djurišic´, Tailoring and modifications of a ZnO nanostructure surface by the layer-by-layer deposition technique. Nanotechnology 17, 3563 (2006)
B. Yao, L. Feng, C. Cheng, Tailoring the luminescence emission of ZnO nanostructures by hydrothermal post-treatment in water. Appl. Phys. Lett. 96, 223105 (2010)
D. Daksh, Y.K. Agrawal, Rare earth-doped zinc oxide nanostructures: a review. Rev. Nanosci. Nanotechnol. 5, 1–27 (2016)
H. Mu, G. Yanming, X. Haifen, Photocatalysis of nickel-based graphene/Au/ZnO nanocomposites. IEEE Sens. J. 19, 5376–5388 (2019)
V. Shanmugapriya, S. Arunpandiyan, G. Hariharan, S. Bharathi, B. Selvakumar, A. Arivarasan, Enhanced supercapacitor performance of ZnO/SnO2: rGO nanocomposites under redox additive electrolyte. J. Alloys Compd. 935, 167994 (2023)
B. Hana, J. Song, J. Lia et al., Fabrication of chemically stable hydrogen- and niobium-codoped ZnO transparent conductive films. RSC Adv. 9, 12681–12688 (2019)
J.M. Lin, Y.Z. Zhang, Z.Z. Ye, X.Q. Gu et al., Nb-doped ZnO transparent conducting films fabricated by pulsed laser deposition. Appl. Surf. Sci. 255, 6460–6463 (2009)
A. Alasvand, Investigation the effect of pb incorporation on the surface characterizations of electrodeposited CdSe nanostructures. J. Alloys Compd. 817, 152711 (2020)
J. Ali, H. Kafashan, Preparation and characterization of electrochemically deposited nanostructured Ti-doped ZnS thin films. Ceram. Int. 45, 21413–21422 (2019)
K. Hosein, F. Jamali-Sheini, M. Azizieh, Z. Balak, M. Cheraghizade, H.N. Vatan, Electrochemical deposition of nanostructured SnS1 – xTex thin films and their surface characterization. J. Alloys Compd. 694, 1338–1347 (2017)
M. Arefi-Rad, Reza, H. Kafashan, Pb-doped SnS nano-powders: comprehensive physical characterizations. Opt. Mater. 105, 109887 (2020)
H. Kafashan, X-ray diffraction line profile analysis of undoped and Se-doped SnS thin films using Scherrer’s, Williamson–Hall and size–strain plot methods. J. Electron. Mater. 48(2), 1294–1309 (2019)
H. Kafashan, Structural characterizations of pure SnS and In-doped SnS thin films using isotropic and anisotropic models. Mater. Res. Express 5(4), 046417 (2018)
X. He, B. Yan, High-energy organic group-induced spectrally pure upconversion emission in novel zirconate-/hafnate-based nanocrystals. CrystEngComm 17, 7169 (2015)
X. Zhu, H. Wu, Z. Yuan, J. Kong, W. Shenc, Multiphonon resonant Raman scattering in N-doped ZnO. J. Raman Spectrosc. 40, 2155 (2009)
G. Mohan Kumar, J. Park, Structural and optical property studies on indium doped ZnO nanostructures for solution based organic–inorganic hybrid p–n junctions. J. Colloid Interface Sci. 430, 229 (2014)
M. Govindaraj, S. Babu, R. Rathinam, Integrated electrocoagulation–photoelectrocatalytic oxidation for effective treatments of aqueous solution bisphenol-A using green-synthesized ZnO nanoparticles. Chem. Paper 77, 169–183 (2023)
W. Yang, B. Zhang, Q. Zhang, L. Wang, B. Song, Y. Ding, C.P. Wong, Adjusting the band structure and defects of ZnO quantum dots via tin doping. RSC Adv. 7, 11345–11354 (2017)
M. Kwoka, A.K. Kapuscinska, D. Zappa, E. Comini, J. Szuber, Novel insight on the local surface properties of ZnO nanowires. Nanotechnology 31, 465705 (2020)
R. Al-Gaashani, S. Radiman, A.R. Daud, N. Tabet, Y. Al-Douri, XPS and optical studies of different morphologies of ZnO nanostructures prepared by microwave methods. Ceram. Int. 39, 2283–2292 (2013)
P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, C. Siva, T.W. Kang, D.Y. Kim, SmFeO3 and SmErxFe1–xO3 based perovskite nanorods for improved oxygen and hydrogen evolution functions. Int. J. Energy Res. 45, 1–11 (2020)
P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, C. Siva, H.D. Cho, S. Tamilselvan, S. Seal, T.W. Kang, D.Y. Kim, Aid of cobalt ions in boosting the electrocatalytic oxygen and hydrogen evolution functions of NdFeO3 perovskite nanostructures. J. Mater. Res. Technol. 11, 2246–2254 (2021)
M. Kwoka, V. Galstyan, E. Comini, J. Szuber, Pure and Highly Nb-doped titanium dioxide nanotubular arrays: characterization of local surface properties. Nanomaterials 7, 456 (2017)
F. Xu, Z.Y. Yuan, G.H. Du, T.Z. Ren, C. Volcke, P. Thiry, B.L. Su, A low-temperature aqueous solution route to large-scale growth of ZnO nanowire arrays. J. Non-Cryst. Solids 352, 2569 (2006)
G. Mohan Kumar, P. Ilanchezhiyan, J. Kawakita, M. Subramanian, R. Jayavel, Magnetic and optical property studies on controlled low-temperature fabricated one-dimensional cr doped ZnO nanorods. CrystEngComm 12, 1887 (2010)
D.H. Zhang, Q.P. Wang, Z.Y. Xue, Photoluminescence of ZnO films excited with light of different wavelength. Appl. Surf. Sci. 207, 20 (2003)
C. Siva, P. Baraneedharan, K. Nehru, M. Sivakumar, ZnO/Ag heterostructures embedded in Fe3O4 nanoparticles for magnetically recoverable photocatalysis. J. Alloys Compd. 665, 404–410 (2016)
C. Liu, Y. Qiu, F. Wang, K. Wang, Q. Liang, Z. Chen, Design of core–shell-structured ZnO/ZnS hybridized with graphite-like C3N4 for highly efficient photoelectrochemical water splitting. Adv. Mater. Interfaces 4, 1700681 (2017)
Y. Bu, Z. Chen, Highly efficient photoelectrochemical anticorrosion performance of C3N4@ZnO composite with quasi-shell–core structure on 304 stainless steel. RSC Adv. 4, 45397–45406 (2014)
H.D. Cho, P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, D.Y. Kim, Highly carbonized tungsten trioxide thin films and their enhanced oxygen evolution related electrocatalytic functions. J. Mater. Res. Technol. 12, 2216–2223 (2021)
P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, C. Siva, H.D. Cho, S. Tamilselvan, S. Seal, T.W. Kang, D.Y. Kim, Enhancing defect densities in SmErxFe1-xO3 nanostructures and tuning their electrical characteristics for photocatalytic and photoresponse functions. J. Mater. Res. Technol. 9, 12585–12594 (2020)
R. Maity, A.P. Sakhyaa, A. Dutta, T.P. Sinha, Investigation of concentration dependent electrical and photocatalytic properties of Mn doped SmFeO3. Mater. Chem. Phys. 223, 78–87 (2019)
Q. Peng, J. Wang, Y.W. Wen, B. Shan, R. Chen, Surface modification of LaFeO3 by Co-Pi electrochemical deposition as an efficient photoanode under visible light. RSC Adv. 6, 26192 (2016)
Y.K. Kim, S.H. Ahn, K. Chung, Y.S. Cho, C.J. Choi, The photoluminescence of CuInS2 nanocrystals: effect of non-stoichiometry and surface modification. J. Mater. Chem. 22, 1516–1520 (2012)
G. Mohan Kumar, P. Ilanchezhiyan, H.D. Cho, D.J. Lee, T.W. Kang, D.Y. Kim, Ultrathin VS2 nanodiscs for highly stable electro catalytic hydrogen evolution reaction. Int. J. Energy Res. 44, 811–820 (2019)
P. Ilanchezhiyan, G. Mohan Kumar, C. Siva, H.D. Cho, D.J. Lee, T.W. Kang, D.Y. Kim, Robust photocatalytic and photoelectrochemical functions of PrFe 1-xMnxO3 perovskite nanostructures. Ceram. Int. 48, 29332–29339 (2022)