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纳米材料杂志/2020/文章
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合成的基于生物聚合物的纳米复合材料,对先进应用进行建模

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体积 2020 |文章ID. 6742728 | https://doi.org/10.1155/2020/6742728

俞才,成本瑶,杰元 AG ZnO纳米线的光电化学性能的增强:实验与机制“,纳米材料杂志 卷。2020 文章ID.6742728 9. 页面 2020 https://doi.org/10.1155/2020/6742728

AG ZnO纳米线的光电化学性能的增强:实验与机制

学术编辑器:Edson C. da Silva Filho
收到了 2019年12月5日
修改 2月22日22日
公认 03 Mar 2020
发表 20月20日20日

抽象的

采用两步化学气相沉积法制备ZnO纳米线,再用磁控溅射法制备Ag纳米线,对纳米银均匀修饰ZnO (Ag@ZnO)纳米线的光电化学性能进行了研究。此外,我们还分析了Ag@ZnO纳米线的PEC行为机理。PEC特性表明,Ag@ZnO纳米线的电流密度比未改性的ZnO纳米线有所增加。优化后的ag修饰ZnO光电极含量可达到最大光电流密度24.8μ.ACM.-2在1 V与Ag / AgCl处,几乎是未修饰ZnO光电极的四倍。基于表面等离子体共振(SPR),Ag纳米粒子的效果增强了AG ZnO纳米线的PEC性能。因为Ag纳米颗粒的SPR效应延伸了光吸收并提高了光静电电子孔对的分离效率。显着的PEC特性为金属半导体复合纳米结构材料提供作为高电流密度应用的有希望的电子源。

1.介绍

始终如一,氧化锌(ZnO)材料已被许多研究人员连续研究,因为其优点具有优异的特性和优异的特性和广泛的应用[1-15.].然而,为了改善其电气和光学性质,ZnO通常掺杂或用群体各种元件装饰。掺杂的ZnO材料是具有高透明度透明度和高导电性的导体作为导体的候选者[16.17.].掺杂ZnO材料的电导率,铁磁性和透明度在现有报告方面增加了[18.-22.].装饰的ZnO材料是有前途的候选者,作为导体,具有增强的可见光的吸收,并且光静置的电子孔的组合被抑制[23.24.].最近,金属掺杂或装饰半导体化合物的各种纳米结构形态[5.25.-31.[例如纳米线,纳米管,纳米棒,纳米射线,纳米,纳米,纳米杆,纳米片,纳米牛,纳米草和异质结构已经使用多种方法成功地合成,包括化学气相沉积(CVD)[32.33.],丝网印刷技术[34.35.,水热法[36.37.]水热和化学方法[38.],即热蒸发过程[39.[热蒸发方法[40]和无模板的单步水热法[41.].然而,CVD和磁控溅射(MS)方法是具有不同形态的纳米材料生长的非常常见的方法。另外,与半导体纳米颗粒相比,各种金属元素中,贵金属纳米颗粒具有相当大的光稳定性[42.-45.].贵金属修饰的半导体纳米材料由于金属纳米粒子的表面等离子体共振(SPR)效应在氧化物半导体表面附近引起电场应用,提高了光阳极的光子吸收速率,提高了光活性[46.].由于局部SPR效应,Ag纳米颗粒在可见光谱中具有很强的吸收,可以提高半导体在可见区域的表观光活性。有很多文章报道了不同纳米结构的银纳米颗粒修饰ZnO的物理性能[47.-53.].选择Ag纳米粒子以装饰在PEC器件中广泛应用的半导体。

在先前的报告中,通过两步CVD和MS方法成功合成的均匀银纳米粒子装饰ZnO(Ag @ ZnO)纳米线复合材料[54.55.].采用磁控溅射方法研究了Ag@ZnO纳米线在80、100和120 s溅射时间下的结构和光学性质。然而,对影响薄膜性能的沉积参数的研究还没有详细的报道。关于Ag@ZnO纳米线的PEC行为的分析鲜有报道。本文采用透射电子显微镜(TEM)和x射线衍射(XRD)技术对Ag@ZnO纳米线的形貌和结构进行了分析。对样品的PEC性能进行了研究。Ag@ZnO纳米线与未改性的ZnO纳米线相比,表现出优异的PEC性能,在光电器件中具有潜在的应用前景。

2.实验部分

2.1。种植样本

采用化学气相沉积和质谱两步法在石英基底上合成了Ag@ZnO纳米线。采用化学气相沉积法制备了氧化锌纳米线,然后利用质谱系统在氧化锌纳米线上沉积了Ag纳米颗粒。如图所示1,用Ag纳米粒子装饰的ZnO NWS在CVD和MS的两步中制造。前体是纳米线1D纳米结构上的ZnO(1g)的粉末。它被放入氧化铝船中并装入管状炉中。将Au-涂覆的石英底物底物置于粉末下游。将炉子加热至预设温度(1250℃)。在恒定流速和压力下的生长期间用作载气:100 sccm,50Pa用于ZnO纳米线。然后,将炉子自然冷却至室温。射频目标(RFT)是直径为60毫米的AG盘,纯度为99.99%。沉积室和射频功率中的基础压力为6.0×10-4 Pa and 3 W, respectively. The growth of sample proceeded in the growth ambient with the Ar of 20 sccm at a constant working pressure of 1.0 Pa, and the sputtering times are 80,100, and 120 s, respectively.

2.2。Samlpes的特征

通过使用场发射扫描电子显微镜(Fe-SEM),能量分散X射线(EDX)和TEM来观察AG ZnO和未改性ZnO纳米线的形态和组分。通过配备有单色Cu Ka辐射的XRD分析结晶度。样品光池的PEC属性在室温下在三电极电池中进行。数字2图示了实验设置的示意图。简而言之,0.05 mol / l na2所以4.将溶液用作电解质,通过氮气鼓泡。照明源是200-W XE弧灯。

3.结果与讨论

3.1.Ag@ZnO纳米线的形态和结构

3(一个)-3 (d)显示未修饰的ZnO和AG ZnO纳米线的FE-SEM图像,分别具有Ag(80,100和120秒)的不同溅射时间。因为未修饰的ZnO纳米线的平均直径和长度约为65nm和2 μ.m(见图的插图3(一个)),ZnO纳米线具有优异的纵横比。在局部放大倍数中,可以清楚地看到Ag颗粒,其大约33〜35nm大约在大小且有一点变化(见插入图3 (b)-3 (d)).随着时间的增加,Ag粒子密度增大,Ag@ZnO纳米线的覆盖面积增大;其中,Ag粒子如图3 (d)是最统一的。ZnO纳米线表面的Ag纳米粒子吸附导致Ag@ZnO纳米线表面呈现粗糙的表面。

为了确认纳米粒子与ZnO纳米线在表面的吸附,我们使用了TEM,观察结果如图所示4(一)-4 (c).附图是超声波分散后单个银复合ZnO纳米线的TEM图像。从数字中可以看出4(一)当溅射时间为80 s时,只有少量的银纳米颗粒附着在ZnO纳米线表面。随着银粒子溅射时间的不断增加,ZnO纳米线表面的粒子分布密度和粒径逐渐增大。当溅射时间为120 s时,表面银粒子出现聚集现象。高倍电子显微镜下Ag/ZnO表面颗粒的放大倍数如图所示4(一)表明银溅射时间是最短的,并且可以最清楚地看到ZnO的晶体阵列。SAED图案表明ZnO的晶格清晰,晶格间距为0.28nm,其对应于ZnO的衍射晶体表面(100)。随着溅射时间延长,纳米线表面上的银颗粒的数量增加,覆盖ZnO的表面,晶体纹理并不像图中那样清晰4 (b).但在图中也可以清楚地看到氧化锌的晶格排列4 (b).而且,在图中3 (c)除了(100)晶平面之外,还有一个ZnO(110)晶面,具有0.16nm的晶格间距和银衍射环。

XRD用于研究ZnO纳米线的结构,其被修饰或不用Ag。如图所示5(一个)-5(d)结果表明,Ag@ZnO纳米线结晶度高,且高度向[0002]晶c轴方向取向。XRD分析结果与TEM分析结果一致。观察到的衍射峰指示为ZnO的六方纤锌矿相,晶格常数为 (JCPDS卡号36-1451)。XRD图案描绘了一组良好的限定衍射峰,其表明与其他衍射峰相比,与其他衍射峰相反,因为Ag和Zn存在于合成的Ag ZnO纳米线中。XRD模式说明了两个θ的峰值(2θ.)38.24°的值可归因于纳米晶体颗粒的突出(111)衍射图案。当Ag含量进一步增加时,ZnO的衍射峰强度略微降低,而Ag的衍射峰强度增加,这是由于Ag颗粒的覆盖表面的增加并与SEM和EDX分析一致。此外,XRD图中的衍射峰是透明且尖锐的,表明结晶度良好,晶体缺陷很少,并且没有杂质峰证明纯度非常高。

未改性ZnO和Ag@ZnO纳米线的典型EDX结果如图所示6(a)-6(d).从EDX光谱中可以看出,未修饰的ZnO有明显的元素峰(O和Zn;O, Zn, Ag代表Ag@ZnO)。EDX数据证实,未改性的ZnO纳米线含63.61 at。%锌和39.39 at。%的氧气。而Ag@ZnO纳米线含有0.31。%, 0.96。%, 1.61 at。%银。 The atomic percent of Ag was gradually increased with the sputtering time being longer. It is worth mentioning that with the increase of silver sputtering time, the content of zinc atoms in the sample material gradually decreases while the content of oxygen atoms gradually increases. In theory, in ZnO material, the atomic ratio of Zn and O should be 1 : 1, but intrinsic donor-type defects of the ZnO exist, namely the oxygen vacancy and zinc clearance, causing more zinc and O atoms than the theoretical value. In this experiment, sputtering time increasing of silver particles made the ratio of zinc and O atoms that were gradually adjusted from greater than 2 : 1 to approximately 1 : 1, so that it was based on silver nanoparticles composite, improved the intrinsic defects of zinc oxide.

3.2.光电化学性能

通过评估电流密度 - 电压研究了未修改的ZnO和AG @ ZnO·纳米线对ZnO纳米线光电池的PEC性能(j-V.)轻度照明的特性。当j-V.样品光阳极的特性如图所示7..从数字中可以看出6(a),对于1.0V VS AG / AGCI,ZnO纳米线的光电流密度达到最高值24.8 μ.ACM.-2,比未修改的ZnO光电极光电流密度为4.8的几乎六倍 μ.ACM.-2.从-0.5至+1.5 V的黑暗扫描线性扫描伏伏条件显示,小电流在0到40的范围内 μ.一个/厘米2.改性Ag纳米颗粒时,Ag颗粒的SPR效应增强了PEC性质。在先前的报告中,与ZnO纳米结构电极相比,掺杂或装饰ZnO纳米结构内的电荷传输更有效[56.-59.].数字7(b)说明了瞬时电流密度曲线,即一世-T.曲线,从图中可见,光稳定性好的电极对光和开关灯的电流密度线,显示无光致电荷效应。

数字7(a)显示了具有不同银含量的Ag / ZnO涂覆纳米线的光电流响应。从图中可以看出7.随着银含量的增加,光电流逐渐增加。其中,光学响应为0.31。%Ag / ZnO差,光电流密度非常弱,并且存在一定的响应延迟。当银含量为0.96时。%,延迟响应消失。当银含量为1.61时。%,光电流密度显着增加,约为1mA / cm2.结果表明,纳米线表面颗粒密度和尺寸的增加可以提高光敏性。由于Ag粒子与ZnO纳米线结合,它们相互接触时发生电子转移。这时,Ag含量越多,它携带的电子就越多。在外加电场的作用下,电子会向相反的电极转移,从而提高了光电流密度。

选择AG @ ZnO纳米线(0.96℃。%和1.61。%)用于LSV试验,测试结果如图所示7(b).在相同电压下,银粒子或光越多,电流就越强。Ag@ZnO纳米线光电流的增强主要是由于以下三个因素:首先,Ag纳米线的SPR效应增强了局域场;二是光致电子-空穴对分离效率高;第三,由于ZnO和Ag的相互作用,降低了电荷电阻和电荷复合率。数字7(c)显示AG @ Zno纳米线的EIS测试图,无需光线。高银含量纳米线的电弧半径小于银含量纳米线的电弧半径,并且光的电弧半径小于没有光的光。由于该图中的电弧半径反映了电极表面上发生的界面层的电阻,因此Ag颗粒的存在加速了ZnO纳米线的电子 - 孔对分离,并且界面电荷转移更快。AG和ZnO之间的相互作用可以有效地改善ZnO中电子空穴对的分离和转移效率,并有效地抑制电子 - 空穴对重组同时重组。结果表明,该方法可以有效地抑制电子 - 孔对重组,改善Ag ZnO纳米线的光催化活性。我们认为,AG @ ZnO纳米线可用作增强光电流的有效材料。

基于上述讨论,PEC中AG @ ZnO纳米线的电子转移机制恰好显示在图中7(d).在照明下,电子对ZnO的CB激发,并且在VB中形成相同数量的孔。ZnO的CB底部的能级高于AG @ ZnO纳米线的新形成的费米能量,因此通过能量差驱动的光透射电子将从ZnO转移到Ag,以提高分离效率光生电子 - 空穴对并减少载体重组。同时,由于SPR激发,Ag纳米粒子吸收谐振光子以产生热电子,并且将热电子转移到ZnO的CB中。

4。结论

总之,研究了通过两步CVD和MS方法成功合成均匀Ag ZnO纳米线的形态,结构和PEC性质。我们的结果表明,ZnO纳米线具有高度结晶的,具有0.28nm的晶格条纹,其对应于ZnO晶格中的(0002)平面。ZnO纳米线中Ag纳米颗粒的平均直径估计为约34.86nm。通过AG纳米粒子装饰,可见光发射峰增加。值得注意的是,与未修饰的ZnO纳米线相比,Ag @ ZnO纳米线表现出优异的PEC性能。PEC研究表明,所有电极都具有电阻性。AG @ ZnO纳米线光电极的优化含量达到了24.8的最大光电流密度 μ.ACM.-2在0.5米NA中以1V Vs. Ag / AgCl2所以4.,在相同条件下,这几乎是ZnO纳米线光电极的四倍。AG @ ZnO纳米线PEC性能的增强归因于Ag纳米颗粒的SPR效应,其延伸了光吸收并提高了光发化电子 - 孔对的分离效率。我们的结果表明,AG @ ZnO纳米结构显示出平板显示器,高亮度电子源和PEC器件中的光电池的巨大潜力。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金(11504072)和黑龙江省创意人才的大学护理计划(No. Unpysct-2016179)。

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