Síntesis y evaluación de la actividad fotocatalítica de semiconductores de Zn1-xMxO (M = Cu y Ni, x = 0,01 - 0,20) en la generación de H2

Abstract

El ZnO es uno de los semiconductores más utilizados en la generación fotocatalítica de H2; sin embargo, presenta recombinación de pares e-/h+ y absorción en el UV. Por lo tanto, en esta investigación se planteó la síntesis y evaluación fotocatalítica de Zn1-xMxO (M = Ni o Cu y x = 0.01- 0.20) recubiertos con Pt, mezclados con granate Y3Al4.95Er0.05O12 (Er3+:YAG) y empleando metanol como agente de sacrificio, con el fin de mejorar las falencias del ZnO. Los materiales se sintetizaron por el método sol-gel y se caracterizaron por DRX, SEM-EDX, Raman, UV-Vis-DRS, adsorción-desorción de N2, EPR, magnetización y espectroscopía de fotoluminiscencia. Inicialmente, se determinó que 700 °C y 2 h son las condiciones de calcinación que mejoran la actividad del ZnO, por lo que se emplearon para preparar muestras con fórmula CuO/Zn0.99Cu0.01O y NiO/Zn0.99Ni0.01O. Se evidenció que no tuvo lugar la sustitución con Cu2+ o Ni2+ cuando x es superior a 0.01 y que el valor de x fue proporcional al contenido en porcentaje de las fases de CuO y NiO para x ≥ 0.05. No obstante, la formación de la heterounión p-n aumentó la producción de H2 de 676 µmol g-1h-1 del ZnO hasta 871 µmol g-1h-1. Por otro lado, se obtuvieron los materiales Er3+:YAG/Pt/CuO/Zn0.99Cu0.01O y Er3+:YAG/Pt/NiO/Zn0.99Ni0.01O, mediante recubrimiento con un 2.0% de Pt y la adición de Er3+:YAG en relación de masa 1.0:0.3 de Pt/ZnO:granate, que en conjunto con 10% v/v de metanol alcanzó una generación de H2 de 1932 µmol g-1h-1 y de 2324 µmol g-1h-1, respectivamente. Los hallazgos contribuyen significativamente a solventar las falencias del ZnO, ya que se incrementó la actividad en la región del visible y se redujo la recombinación de los pares e-/h+. (Texto tomado de la fuente).

ZnO is one of the most widely used semiconductors in photocatalytic H2 generation; however, it presents e⁻/h⁺ pair recombination and absorption in the UV range. Therefore, this research focused on the synthesis and photocatalytic evaluation of Zn1-xMxO (M = Ni or Cu, and x = 0.01-0.20), coated with Pt, mixed with the Y3Al4.95Er0.05O12 garnet (Er³⁺:YAG), and using methanol as a sacrificial agent to improve the ZnO shortcomings. The materials were synthesized using the sol-gel method and characterized through XRD, SEM-EDX, Raman spectroscopy, UV-Vis-DRS, N2 adsorption-desorption, EPR, magnetization, and photoluminescence spectroscopy. Initially, it was determined that 700 °C and 2 h are the calcination conditions that improve the activity of ZnO, so they were used to prepare samples with formula CuO/Zn0.99Cu0.01O and NiO/Zn0.99Ni0.01O. It was observed that substitution with Cu2+ and Ni2+ does not occur when x exceeds 0.01, and that the x value was proportional to the percentage content of CuO and NiO phases for x ≥ 0.05. Nevertheless, the formation of the p-n heterojunction increased H2 production from 676 µmol g⁻¹h⁻¹ for ZnO to 871 µmol g⁻¹h⁻¹. On the other hand, Er3+:YAG/Pt/CuO/Zn0.99Cu0.01O and Er3+:YAG/Pt/NiO/Zn0.99Ni0.01O materials were obtained by coating with 2.0% platinum and adding Er3+:YAG in a mass ratio of 1.0:0.3 of Pt/ZnO:garnet, along with 10% v/v methanol reached an H2 generation of 1932 µmol g-1h-1 and 2324 µmol g-1h-1, respectively. The findings contribute significantly to resolving the ZnO shortcomings, since improved activity in the visible range was enhanced, and the recombination of e-/h+ pairs was reduced.