Фрактальные микро- и нанодендриты из серебра, меди и их соединений для фотокаталитического разложения воды

Введение. Представлены результаты исследования морфологии и фотокаталитического разложения воды тонких нанопористых пленок в виде фрактальных дендритов из серебра и меди, а также их соединений — йодида и оксида. Метод. Нанопористые слои из серебра и меди синтезированы методом химической реакции замещения на металлических подложках. Йодирование проведено в парах йода. Оксидирование выполнено путем нагрева на воздухе. Изучение морфологии и состава синтезированных слоев осуществлено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Основные результаты. Показано, что уже через 2–3 с после начала реакции на подложках формируются металлические нанопористые слои толщиной до 1 мкм. Слои серебра состоят из кристаллических гексагональных пластин и микро- и нанодендритов. В случае реакции замещения с солью меди сразу происходит формирование слоя, состоящего из медных микродендритов. Внутренний квантовый выход фотокатализа воды для слоев с серебром и медью, а также слоев металл-полупроводник составил 0,4– 0,45 %. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы для создания фотокатодов с большой поверхностью для фотокаталитического разложения воды с целью получения водородного топлива.

1. Hoffmann M.R., Martin S.T., Choi W., Bahnemann D.W. Environmental applications of semiconductor photocatalysis // Chemical Reviews. 1995. V. 95. N 1. P. 69–96. https://doi.org/10.1021/cr00033a004

2. Fujishima A., Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode // Nature. 1972. V. 238. N 5358. P. 37–38. https://doi.org/10.1038/238037a0

3. Morales-Guio C.G., Stern L.-A., Hu X. Nanostructured hydrotreating catalysts for electrochemical hydrogen evolution // Chemical Society Reviews. 2014. V. 43. N 18. P. 6555–6569. https://doi.org/10.1039/c3cs60468c

4. Warren S.C., Thimsen E. Plasmonic solar water splitting // Energy & Environmental Science. 2012. V. 5. N 1. P. 6446. https://doi.org/10.1039/c1ee02875h

5. Gan J., Lu X., Tong Y. Towards highly efficient photoanodes: boosting sunlight-driven semiconductor nanomaterials for water oxidation // Nanoscale. 2014. V. 6. N 13. P. 7142–7164. https://doi.org/10.1039/c4nr01181c

6. Koya A.N., Zhu X., Ohannesian N., Yanik A.A., Alabastri A., Zaccaria R.P., Krahne R., Shih W.-C., Garoli D. Nanoporous metals: From plasmonic properties to applications in enhanced spectroscopy and photocatalysis // ACS Nano. 2021. V. 15. N 4. P. 6038–6060. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10945

7. Peerakiatkhajohn P., Butburee T., Yun J.-H., Chen H., Richards R.M., Wang L. A hybrid photoelectrode with plasmonic Au@TiO2 nanoparticles for enhanced photoelectrochemical water splitting // Journal of Materials Chemistry A. 2015. V. 3. N 40. P. 20127–20133. https://doi.org/10.1039/c5ta04137f

8. Siripala W., Ivanovskaya A., Jaramillo T.F., Baeck S.H., McFarland E.W. A Cu2O/TiO2 heterojunction thin film cathode for photoelectrocatalysis // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2003. V. 77. N 3. P. 229–237. https://doi.org/10.1016/S0927-0248(02)00343-4

9. Cao J., Luo B., Lin H., Chen S. Synthesis, characterization and photocatalytic activity of AgBr/H2WO4 composite photocatalyst // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2011. V. 344. N 1-2. P. 138–144. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2011.05.012

10. Wang P., Huang B.B., Qin X.Y., Zhang X.Y., Dai Y., Wei J.Y., Whangbo M.H. Ag@AgCl: A Highly efficient and stable photocatalyst active under visible light // Angewandte Chemie International Edition. 2008. V. 47. N 41. P. 7931–7933. https://doi.org/10.1002/anie.200802483

11. Wang P., Huang B.B., Zhang X.Y., Qin X.Y., Jin H., Dai Y., Wang Z.Y., Wei J.Y., Zhan J., Wang S.Y., Wang J.P., Whangbo M.H. Highly efficient visible-light plasmonic photocatalyst Ag@AgBr // Chemistry — A European Journal. 2009. V. 15. N 8. P. 1821–1824. https://doi.org/10.1002/chem.200802327

12. Wang P., Huang B.B., Zhang Q.Q., Zhang X., Qin X.Y., Dai Y., Zhan J., Yu J.G., Liu H.X., Lou Z.Z. Highly efficient visible light plasmonic photocatalyst Ag@Ag(Br,I) // Chemistry — A European Journal. 2010. V. 16. N 33. P. 10042. https://doi.org/10.1002/chem.200903361

13. Jia H., Wong Y.L., Wang B., Xing G., Tsoi C.C., Wang M., Zhang W., Jian A., Sang S., Lei D., Zhang X. Enhanced solar water splitting using plasmon-induced resonance energy transfer and unidirectional charge carrier transport // Optics Express. 2021. V. 29. N 21. P. 34810. https://doi.org/10.1364/OE.440777

14. Xiang Q.J., Yu J.G., Cheng B., Ong H.C. Microwave-hydrothermal preparation and visible-light photoactivity of plasmonic photocatalyst Ag-TiO2 nanocomposite hollow spheres // Chemistry — An Asian Journal. 2010. V. 5. N 6. P. 1466–1474. https://doi.org/10.1002/asia.200900695

15. Zhou H., Sheng X., Xiao J., Ding Zh. Increasing the efficiency of photocatalytic reactions via surface microenvironment engineering // Journal of the American Chemical Society. 2020. V. 142. N 6. P. 2738–2743. https://doi.org/10.1021/jacs.9b12247

16. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физмалит, 2010. 480 с.

17. Kreibig U., Vollmer M. Optical Properties of Metal Clusters. Berlin: Springer-Verlag, 1995. 532 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-09109-8

18. Stockman M.I. Electromagnetic Theory of SERS // Surface-enhanced Raman scattering. New York. Springer, 2006. P. 47–65. https://doi.org/10.1007/3-540-33567-6_3

19. Yakimchuk D.V., Kaniukov E.Y., Lepeshov S., Bundyukova V.D., Demyanov S.E., Arzumanyan G.M., Doroshkevich N.V., Mamatkulov K.Z., Bochmann A., Presselt M., Stranik O., Khubezhov S.A., Krasnok A.E., Alù A., Sivakov A. Self-organized spatially separated silver 3D dendrites as efficient plasmonic nanostructures for surface-enhanced Raman spectroscopy applications // Journal of Applied Physics. 2019. V. 126. N 23. P. 233105. https://doi.org/10.1063/1.5129207

20. Ding Y., Zhang Z. Nanoporous Metals for Advanced Energy Technologies. Springer Cham, 2016. 223 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-29749-1

21. Koya A.N., Cunha J., Guo T.-L., Toma A., Garoli D., Wang T., Juodkazis S., Cojoc D., Zaccaria R.P. Novel plasmonic nanocavities for optical trapping-assisted biosensing applications // Advanced Optical Materials. 2020. V. 8. N 7. P. 1901481. https://doi.org/10.1002/adom.201901481

22. Fujita T. Hierarchical nanoporous metals as a path toward the ultimate three-dimensional functionality // Science and Technology of Advanced Materials. 2017. V. 18. N 1. P. 724–740. https://doi.org/10.1080/14686996.2017.1377047

23. Pshenova A.S., Sidorov A.I., Antropova T.V., Nashchekin A.V. Luminescence enhancement and SERS by self-assembled plasmonic silver nanostructures in nanoporous glasses // Plasmonics. 2019. V. 14. N 1. P. 125–131. https://doi.org/10.1007/s11468-018-0784-5

24. Komissarenko F.E., Mukhin I.S., Golubok A.O., Nikonorov N.V., Prosnikov M.A., Sidorov A.I. Effect of electron beam irradiation on thin metal films on glass surfaces in a submicrometer scale // Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 2016. V. 15. N 1. P. 013502. https://doi.org/10.1117/1.JMM.15.1.013502

25. Choi S., Dickson R.M., Yu J. Developing luminescent silver nanodots for biological applications // Chemical Society Reviews. 2012. V. 41. N 5. P. 1867–1891. https://doi.org/10.1039/c1cs15226b

26. Arnob M.M.P., Artur C., Misbah I., Mubeen S., Shih W.-C. 10×-enhanced heterogeneous nanocatalysis on a nanoporous gold disk array with high-density hot spots // ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. V. 11. N 4. P. 13499–13506. https://doi.org/10.1021/acsami.8b19914

27. Shen Z., O’Carroll D.M. Nanoporous silver thin films: Multifunctional platforms for influencing chain morphology and optical properties of conjugated polymers // Advanced Functional Materials. 2015. V. 25. N 22. P. 3302–3313. https://doi.org/10.1002/adfm.201500456

28. Ron R., Haleva E., Salomon A. Nanoporous metallic networks: fabrication, optical properties, and applications // Advanced Materials. 2018. V. 30. N 41. P. 1706755. https://doi.org/10.1002/adma.201706755

29. Jiao Y., Chen M., Ren Y., Mai H. Synthesis of three-dimensional honeycomb-like Au nanoporous films by laser induced modification and its application for surface enhanced Raman spectroscopy // Optical Materials Express. 2017. V. 7. N 5. P. 1557. https://doi.org/10.1364/OME.7.001557

30. Самсонов В.М., Кузнецова Ю.В., Дьякова Е.В. О фрактальных свойствах агрегатов металлических нанокластеров на твердой поверхности // Журнал технической физики. 2016. T. 86. № 2. C. 71–77.

31. Tamm I., Schubin S. Zur theorie des photoeffektes an metallen // Zeitschrift für Physik. 1931. V. 68. N 1-2. P. 97–113. https://doi.org/10.1007/BF01392730

32. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.