価値

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12171 (2022) この記事を引用

1510 アクセス

4 引用

11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

電子廃棄物 (e-waste) の処理は、多くの環境問題を引き起こします。 しかし、この問題のある廃棄物を付加価値のある金属の供給源として利用する大きなチャンスがあります。 これらの金属は、熱力学的水分解による水素生成用のナノマテリアルの製造など、有益な用途に使用するために回収および変換される可能性があります。 この研究では、マイクロリサイクル技術を使用して、廃棄されたフレキシブルプリント基板 (FPCB) から窒素酸化物 (NiO) ドープ酸化銅 (CuO) ナノフレークを合成しました。 合成されたナノフレークの相純度、表面化学、形態および光学特性を検証するために、いくつかの正確な特性評価と実験分析が使用されました。 XRD分析により、システム内で生成されたナノフレークは主にテノライト、CuO (98.5% ± 4.5) であり、ドーパントとしてNiO (1.5% ± 0.1) が含まれていることが確認されました。 ナノフレークは、115.703 m2/gの比表面積と、平均細孔直径11 nmのメソ多孔質構造を有していた。 HRTEM 分析により、ナノフレークは単一の構造ではなく、2D ナノロッドから組み立てられていることが確認されました。 ナノロッドの幅は約 10 ～ 50 nm、長さは約 30 ～ 80 nm でした。 急速熱処理後、合成材料の光電流応答を評価したところ、より高い光電流密度（1.5G AM下で可逆水素電極（RHE）に対して0.6 Vで-1.9 mA/cm2）が明らかになりました。 モット・ショットキー分析と電気化学的インピーダンス分光法により、合成されたナノ材料が潜在的な熱力学的水分解能力を有することが示された。 これらの結果は、電子廃棄物を使用して価値のある特性を備えたナノマテリアルを生産する技術の可能性を示唆するものでした。 これにより、問題のある廃棄物が減り、減少する天然資源が保護される可能性があります。

天然資源が減少する中、世界の産業と製造業は、従来の資源を廃棄物から変換した材料に置き換える新しい戦略を採用する必要があります。 最も問題のある廃棄物の流れの 1 つは電子廃棄物 (e-waste) です。 これには多くの有価金属と非金属が含まれています。 たとえば、フレキシブル プリント基板 (FPCB) には、ポリイミド/ポリアミドや樹脂 1 などの非金属に埋め込まれた 99% 以上の純銅が含まれており、Ni ベースのエマルションが FPCB、特にはんだ付けの表面仕上げとして広く使用されています。はんだ付け時の酸化を防ぐ場所。 FPCB は通常、大きなシートとして製造されます。 最終的な製造段階では、必要な形状とサイズに打ち抜かれ、切断されるため、貴重な銅金属が豊富に含まれる大量の廃棄物が残ります。 この Cu は熱分離技術 (TDT) によって回収でき、さらに他の産業用途に使用できる可能性があります 2、3。 本研究では、廃FPCBから回収したCuを用いてCuOナノ材料を合成し、合成した材料の熱力学的水分解性能を評価した。

遷移金属酸化物としての CuO と Cu2O は、酸化銅の 2 つの半導体相です4。 Cu2O の直接バンドギャップは 2.1 eV5 であり、太陽光発電 6、スーパーキャパシタ 7、光触媒 8、センサー 9 などの多くの用途に使用されています。 一方、CuO は、優れた光吸収能力と高い物理的安定性により、光電気化学 (PEC) 用途に適しています。 CuO は、水を分解する光電気化学プロセス 3,4、太陽光発電 5,6、スーパーキャパシタ 7,8、光触媒 9,10、光検出器 11,12,13、電池 14,15、バイオセンサーと化学物質 11,16,17 など、多くの分野での応用が期待されています。 CuO のバンドギャップは 1.2 ～ 1.7 eV10 まで調整できます。 これにより、半導体はより広範囲の波長にわたって太陽光スペクトルを吸収できるようになり、太陽光発電用途にとって魅力的な候補となっています。 光活性によって励起されたマイナーキャリアは、PEC 水分解において半導体と電解質の界面に導かれ、そこで酸化還元反応を起こし、n 型半導体の正孔から水素を生成するか、p 型半導体の電子から酸素を生成します11。 水の分解では、ZnO12、Fe2O313、TiO214などのn型物質が酸素発生電極として機能し、CuBi2O415、InP16、WSe217などのp型物質が水素発生電極として機能します。 CuO は、その p 型導電性と正確な伝導帯の位置により、水素生成に強力な光電陰極です18。

さまざまな研究者が、PCB 廃棄物を使用して超微粒子 Cu 粉末を製造するためのさまざまな方法を提案しています 19、20、21。 提案された方法には、界面動電プロセス 22、化学還元 23、電気化学プロセス 24、およびセメンテーション 25 が含まれます。

NiOをドープしたCuOを合成するために、研究者らは塩基性炭酸ニッケルを熱処理することでNiOを合成した。 純粋な NiO サンプルを硝酸銅とともに使用し、化学熱プロセスを実行して最終製品を生成しました 26,27。 別の研究では、研究者らは分析グレードの Cu(NO3)・3H2O および Ni(NO3)・6H2O を使用し、段階的焼成を行って CuO-NiO 触媒を製造しました28。 NiドープCuOナノ粒子は、NiSO4・6H2OをCuSO4・5H2O溶液に添加し、化学熱還元29,30またはマイクロ波照射31を利用することによって生成された。 文献では、最初のステップで Cu が浸出され、2 番目のステップでナノ材料が調製されたとされています。 この研究では、化学的経路とそれに続く単純化された熱的経路（すなわち、TDT1、2）を組み合わせたマイクロリサイクルプロセスを使用して、廃棄FPCBからNiOドープCuOナノフレーク（Cu2Oなし）を製造したことを報告します。 私たちは、合成したナノフレークが環境発電用途の光吸収材料として適切であるかを評価しました。

この研究では、CuO のバンドギャップ エネルギーは 1.57 eV と測定され、これはバルク CuO の値 (1.2 eV) より高く 32,33、NiO ナノ粒子 (3.8 eV) より低い 34,35 です。 ある準位から別の準位へのエネルギーのシフトは、ナノ結晶構造内の量子閉じ込めに起因すると考えられます。 また、NiO と CuO を組み合わせると、純粋な CuO と比較してバンドギャップがより高い領域にシフトする可能性があることも何人かの研究者によって報告されています 36,37。 水分解に理想的な材料の理論上のバンドギャップは、約 2 eV38 であると報告されています。 実際の現場でのアプリケーションでは、この範囲は 1.23 から 3 eV39 まで変化します。 バルク CuO の実際のバンドギャップは 1.2 eV であり、水分解用途では低いと考えられ、NiO のバンドギャップは 3.8 eV で高いと考えられています。 合成された CuO ナノフレークは 1.57 eV のバンドギャップを示し、エネルギーハーベスティング用途の優れた候補となりました。

「エラー!」に示されているように、熱化学的ルートを採用して、NiO ドープ CuO ナノフレークを合成しました。 参照元が見つかりません。最初のステップ (熱プロセス) では、廃棄ポリマーで積層された薄い Cu シートが、積層ポリマーから分離された固体の Cu と熱劣化した炭素質化合物の要素に変換されました。 FPCB の加工には熱分離技術が使用されました。 この技術では、アルゴン ガスを継続的に供給することにより、制御された (通常は不活性な) 環境が作成されます。 ポリマーは酸化しやすく、酸素と接触すると炭素を大気中に放出します。 この技術では人為的に酸素が欠乏するため、ポリマーが揮発分を除去し、分解されて固体炭素が銅の表面に堆積します。 したがって、この熱プロセスでは、Cu と炭素の 2 つの主要な元素を回収できます。

第 2 ステップ (化学的ルート) では、第 1 ステップで生成された熱劣化要素に対して一連の化学処理を実行します。 Cu と炭素の混合物を酸性溶液 (硫酸と硝酸の混合物) に溶解しましたが、炭素粒子は未反応のまま溶液上に浮遊しました。 炭素粒子は溶液の表面から除去された。 Cu が酸性媒体中で消化される全体的な反応を以下に示します。

図 1 の青い溶液 (ステップ 2) は主に CuSO4 から構成されています。 ＮａＯＨ溶液を青色の溶液にゆっくり加えた。 NaOH を添加すると、溶液の色が最初に水色に変わりました。 ほとんどすべての NaOH が溶液に添加されると、色は黒色に変化し、目に見える CuO 残留物が観察されました。 CuO を除去するために一連の濾過を実行し、濾過後、水分を除去するために 80 °C に加熱しました。 溶液のpH値は8でした。

NiO ドープ CuO ナノフレークの合成手順。

CuO ナノフレーク (エネルギーハーベスティング用途用) で作られたフィルム電極は、露出した表面積 (約 1 cm2)。 堆積前に、FTO 基板を水浴を備えた超音波処理システムで蒸留水、アセトン、およびエタノールで徹底的にすすぎ洗浄しました。 導電性インクを作成するには、600 μl のイソプロパノールと 600 μl の脱イオン水を 20 mg の活性化材料に順次加えました。 この懸濁液を含むチューブを密閉し、０．５時間磁気撹拌し、続いて１時間超音波処理した。 スキームは、電極の製造を示すために補足として提供されます (図 S1)。

ナノフレークの元素組成は、硝酸で消化した後、Perkin Elmer OPTIMA 7300 を使用した誘導結合プラズマベース発光分光法 (ICP-OES) によって特性評価されました。 ナノフレークの組成は、Al Kα X 線源を使用して Thermo Scientific ESCALAB250Xi 装置で実行された X 線光電子分光法 (XPS) 分析でも確認されました。 CoK 放射線による X 線回折 (XRD) を使用して、生成物の相の詳細と結晶化度を分析しました。 合成された NiO ドープ CuO ナノ粒子の微細構造特性評価は、エネルギー分散型分光法 (EDS) を備えた電界放射型走査型電子顕微鏡 (FE-SEM)、FEI Nova NanoSEM 450 FE-SEM を使用して実行されました。 顕微鏡分析は、高解像度透過型電子顕微鏡 (HR-TEM) および制限視野電子回折 (SAED) パターンを使用して実行されました。 Lambda 950 分光計 (PerkinElmer) を使用して、300 ～ 1000 nm の範囲の拡散スペクトル (UV-Vis) を収集しました。 ナノフレークの表面積はブルナウアー・エメット・テラー（BET）N2吸着/脱着技術を使用して77.4°Kで測定され、細孔構造はバレット・ジョイナー・ハレンダ（BJH）法を使用して測定されました。 CuO の UV-Vis 分光分析は、ダブルビーム Lambda 1050 UV-Vis-NIR 分光計 (PerkinElmer、WB InGaAs、英国) を使用して実行されました。 可変厚さのナノサンプルに使用された機器は積分球 (150 mm) で、250 ～ 2000 nm および 5.0 ～ 0.6 eV の波長での拡散、透過、反射散乱を収集するために使用されました。 実際のサンプルの UV-Vis 分析を実行する前に、標準サンプルが分析され、測定の精度を確保するために機器が校正されました。 ラマン分光計 (REINSHAW、inVia) を使用して、CuO ベースの材料のフォトルミネッセンス特性を測定しました。 分光計はラマン顕微鏡として知られる顕微鏡に接続されました。 顕微鏡を使用して、レーザーの焦点をサンプルの表面に合わせ、サンプルからの散乱光をラマン分光計で収集しました。 フォトルミネッセンス分析用のレーザーの波長は、1800 I mm-1 (Vis) の格子を備えた 325 nm でした。

ポテンシオスタット/ガルバノスタット (VSP-300、BioLogic、米国) ワークステーションの 3 電極セル調整を使用して、室温での合成サンプルの電気化学的挙動を特徴付けました。 このシステムの作用電極は FTO 支持フィルム、対電極は白金スパイラル ワイヤ、参照電極は典型的なカロメル電極 (標準カロメル電極、SCE として知られています) でした。 照明が当たった暗い雰囲気中で、サイクリックボリュメトリー (CV)、リニアボリューメトリー (LV)、および電気化学インピーダンス分光法 (EIS) が実行されました。 詳細なパラメーターについては、この研究の対応するセクションで概説します。 EIS のシステム構成は、サンプルを溶液中に 20 分間放置した後の開回路電位 (OCP) が一定の OCP に達するまでの周波数 100 mHz ～ 100 kHz で 10 mV でした。 作用電極（FTO 上の薄膜）は、G2V ピコ LED ソーラー シミュレータを使用して、1.5G エアマス（AM）、1 Sun が 100 mW cm-2 に等しい条件下で、400 ～ 800 nm の波長のみをサンプルに照射して直接照明されました。 フィルムの光活性は、暗所で、手動で切り刻み、完全に照明した状態で測定されました。 光触媒用途では、2 M KOH 溶液が電解質として使用されました。 次の方程式を使用して、SCE の電位を可逆水素電極 (RHE) の電位に変換しました。

記録された CuO ベースのナノ材料の XRD パターンは、HighScore plus ソフトウェア (サプライヤー: PANalytical BV) を使用して処理され、ICSD データベース内の候補検索一致が行われ、続いてリートベルト フィットを行ってテノライト (CuO) と NiO の存在量を特定し、定量的に確立しました。 (図 2 を参照)。 これら 2 つのフェーズで許容可能なリートベルト フィットが得られました (Rwp: 9.91)。 このシステムで生成されたナノフレークは、主にテノライト、CuO (98.5% ± 4.5) であり、微量の酸化ニッケル、NiO (1.5% ± 0.1) が含まれていることが確認されました。

(a) 主相としての CuO と微量相としての NiO によって説明されるすべてのピークを持つナノフレークの XRD パターン。 (b) テノライト (CuO) と NiO が相対的に豊富に含まれる組成のリートベルト フィット分析。 挿入図: CuO の単位胞。

改良後の格子パラメータは、a = 4.696(2) Å、b = 3.414(3) Å、c = 5.137(9) Å、β = 99.2°、セル体積は 81.31 Å3 と計算されました。 これは、CuO のセル体積 81.29 Å3 の ICSD データ カードの値 a = 4.683(0) Å、b = 3.459(0) Å、c = 5.130(0) Å、β = 99.309°と比較できます。 サイズ 31 およびひずみ固有のパラメーター 32 を使用した完全なパターンのリートベルト フィットを適用して、微結晶と発生した微小ひずみの平均サイズを近似しました。 機器の広がりは、シリコン標準サンプル (Si 640c) を測定することによって考慮されました。 CuO 結晶子サイズは 7.7 nm であることが判明し、関連する微小歪みは 0.207% と推定されました。 次の式を使用して転位密度 (δ) を計算しました。転位密度 (δ) は、結晶の単位平方メートルあたりの転位線の長さとして定義されます。

結晶構造の単位体積あたりの転位密度、転位長、線数の値は、δ = 0.0169、歪み ɛstr = 0.207% となります。 これは、CuO ナノフレークの優れた結晶化と高品質を意味しており、太陽光発電の用途に適している可能性があります。 この研究では、転位密度と格子転位に起因する測定されたひずみが不十分であり、CuO テトラポッドの拡大ピークに影響を及ぼさないことがわかりました。

NiO ドープ CuO ナノフレークの微細構造、結晶構造、および元素マッピングを、図 3 に示す HR-TEM イメージング、SAED、および TEM-EDS 分析を使用して調査しました。ナノフレークは、不規則なパターンとさまざまな羽のような形態を示しています。フレークサイズ。 フレークの不規則な形態は、HR-TEM 画像で確認できる多数の 1D ナノロッドが集合することによって形成されます。 フレークは単一の構造ではなく、いくつかの 1D ナノロッドの集合体であるため、幅は約 10 ～ 50 nm で変化し、長さは約 30 ～ 80 nm で変化します。 HR-TEM 画像から、多くの棒状粒子が一緒に蓄積して、よく知られたオストワルド熟成現象に起因すると考えられるナノフレークの構造を発達させていることが明確に理解されます 40。 この手順では、ナノフレークの合成の開始時に、小さな粒子から大きな粒子までが非平衡溶液中で生成されます。 小さな粒子は容易に溶解し、大きな粒子の表面に移動する自由原子を生成します。 大きな結晶は小さな結晶に比べてエネルギー的に有利であり、小さな結晶の溶解度が高まるため、このプロセスは継続します。 大きな結晶の表面に小さな結晶が再沈殿すると、光電流を輸送するために太陽電池でこのCuOを使用するのに有利な緻密な構造が形成されます。 CuO ナノフレークには、CuO の単結晶に起因する明確な縞模様が見られます。 測定された格子間隔は 2.75 Å で、これは (110) 面間隔に起因すると考えられます。 SAED パターンは、XRD パターンに対応する絶対的な単斜晶構造も確認します。 TEM-EDS マッピングは、ナノフレーク内の Cu と O の分布を示します。

(a、b) 明視野 TEM 画像、(c) 電子回折パターンによるナノ CuO フレークの格子構造。

CuO ナノフレークの多孔性と比表面積は、77.4°K での吸脱着の N2 等温線と細孔径分布 (BJH) 測定を使用して測定されました。 図 4 に示すように、等温線はタイプ IV のヒステリシスを示し、相対圧力 (P/Po) とループは 0.65 ～ 1.0 であり、構造がメソポーラスであることをさらに示しています。 収集された CuO ナノフレークの比表面積は 115.703 m2 g-1 であり、細孔サイズ分布 (BJH) は、CuO ナノフレークが平均細孔直径 6 nm のメソポーラス構造を有することを示しています。

77°KでのN2吸着・脱着の等温線と合成されたナノCuOの細孔径分布(BJH)。

CuOナノフレークの表面化学は、図5aに示すように、UV-Vis分光法を使用して調査されました。 さまざまな波長での反射率特性も UV-Vis 分光法で分析されました。 UV-Vis 分光法セットアップの初期の安定性とランスの変化により、スケールで拡大された小さなこぶがいくつかあります。 これらのこぶは、300 ～ 500 nm の範囲のナノマテリアルの UV-Vis 分光法で非常に一般的です。 ナノフレークは可視領域と赤外領域で約 70 ～ 75% の反射率を示し、これはこの材料が太陽エネルギー収集に適用できることを示しています 41。 間接バンドギャップは、Kubelka-Munk プロットまたは Tauc プロット (図 5a の挿入図に示す) を使用して推定できます。 反射率と推定バンドギャップの関係は次のように記述できます。

ここで、R は、さまざまな波長での UV-Vis 分光法によって測定された CuO の反射率パーセンテージです。 Kubelka-Munk プロットによってこの CuO について測定されたバンドギャップは約 1.57 eV であり、バルク CuO42 のバンドギャップよりも比較的高くなります。 バンドギャップのエネルギーの増加は、ナノ結晶配列における量子閉じ込めに起因すると考えられます。 この量子閉じ込めは、CuO36、37 の元の組成に別の酸化物 (NiO など) が存在することによって引き起こされる可能性があります。

（a）UV-Visスペクトル（挿入図：Kubelka-Munkプロット）および（b）CuOのフォトルミネッセンス分析。

材料のフォトルミネッセンスは、組成、合成技術、保存システムなどの要因によって異なります。 スペクトルは、エネルギー状態における欠陥内の遊離トランスポーターの組み合わせから導き出すことができます。 材料のバンドギャップを見積もる指標です。 CuOのフォトルミネッセンススペクトルを図5bに示します。 さまざまな波長での発光ピークはほとんどなく、4 つの主要なピークはすべて可視範囲内にあります。 407 nm のピークは紫色の発光、451 nm は青色の発光領域、572 nm の顕著なピークは緑色の発光領域に起因すると考えられます。 他のいくつかの小さなピークは、電子 - 正孔対の自由励起とそれらの再結合に由来します。 NiO の光応答も 691 nm で確認されます。 この発光ピークは、CuO ナノフレークの混合物における NiO の関与によるものと考えられます 42,44。

次のステップでは、ナノフレークを低温で急速に熱処理しました (400 °C で 5 分間)。 次に、これらを使用して、集電体 (FTO) の表面にフィルム電極を製造するためのインクを作成しました。 最初のステップでは、光電流開始電位 (Eonset) と光電流を生成するフィルムの能力を調べました。 オンセットとは、光電面内の少数電子キャリアが固体/液体界面でファラデー反応（本研究では水素発生反応（HER））を引き起こす電位です45）。 図6aは、非常に低い電流密度での膜のj-Vプロットを示しており、照明下で小さな光電流が確認できます。 RHE に対して 1.15 ～ 1.20 V の電位を Eonset として選択でき、ナノフレーク フィルム電極が光電陰極 (p 型) のように動作することがわかります 46,47。 開始電圧電位の負のシフトは、アノードと連携して非バイアス PEC 水分解セルを構築するのに適していることはよく知られています 48。 フィルムの j-V のプロットを図 6b に示します。 これは、リニアスイープボルタンメトリーを使用して取得されました。 フィルムの比率 \(\frac{{j}_{light}}{{j}_{dark}}\) は約 33 で、1.9 mA cm-2 の光電流値は、報告されている最高値の 1 つです。 CuO47 の文献。

熱処理（400℃で5分間）したNiOドープCuOナノフレークから作製したフィルム電極を、2M KOH溶液中でAM 1.5Gの照度で使用した場合の光電気化学的結果。 （a）開始電位を特定するための低電流密度でのフィルムの光電流（j – V）プロット、（b）フィルムの3電極光電流プロット、20 mV s-1の走査速度および〜でのチョップド光照射0.5 Hzの周波数、(c) 10 mV AC振幅下、0.1 Hz～0.1 MHzの周波数範囲で、照明下および暗所でのSCEに対する-0.3 Vでのフィルムのナイキストプロット、(d) 計算された光子から電子への機能的バイアス連続照明および連続暗条件から得られたデータから抽出されたフィルム電極の変換効率 (ABPE) [(b) を参照]、(e) - 0.3 V 対 SCE でのフィルム電極の光子入射電流変換効率 (IPCE) 、および (f) フィルムの 2 電極光電流プロット。

図 6c は、電解質と電極の界面を横切る電荷移動速度を調べるための EIS テストから得られたナイキスト プロットを示しています。 半円の直径は電荷移動の抵抗 (Rct) を示します 47,49。 したがって、小さい半円は、電子伝導性の顕著な増加を示します。 光電極の EIS では、半円の直径が電極/電解質界面にわたる電荷移動または/および物質移動抵抗を表します50。 1 つの半円の存在は、ファラデー反応が存在しないことを意味し、スターン層を横切って電荷移動のみが発生したことを意味します51。 言い換えれば、半円が大きいほど、電極の絶縁性が高くなります。 この界面での電荷移動の強化は、キャリア密度の光誘起サージと関連しており 51 、ソーラーパウダーの採取における電極の光触媒活性が証明されています。 暗い状態と明るい状態の初期抵抗値 (電極抵抗、または Rp として知られています) は、約 8 Ω で同一です。 この値は、作用電極の抵抗と集電体と電極間の接触抵抗の合計に関係します50。 半円内の実際の抵抗は、膜と電解質の界面での物質移動速度と電荷移動速度に起因すると考えられます44。暗所での膜の値 (約 11,000 Ω) は、照明下での値よりも桁違いに大きくなります。 (~90Ω)。 この大きな違いは、フィルムの優れた光触媒活性を反映しており、フィルムに太陽光からのエネルギー収集の大きな可能性を与えています。

図6aによれば、光電極はRHEに対して1.15 Vを超える電流を生成できませんが、水を分解するには1.23 Vが熱力学的要件です。 したがって、光触媒水分解プロセスにおける光電極フィルムの性能は、次の式を使用して、採用されたバイアス光子電子変換効率 (ABPE) (バイアスは作用電極と対電極の間で変化します) を決定することによって測定されました。

ここで、1.23 V 対 RHE は水分子の分裂のための最小熱力学的電圧を示します 54、Jp は使用したバイアス電圧 (mA cm−2) での光電流の密度、Vb は印加されたバイアス電圧 (V)、Ptotal は入射電流です。 ηF は光の強度 (mW cm−2)、ηF はファラデー効率 (この研究では保守的なアプローチで 0.8 とみなします)。 図6eは、CuOナノフレーク膜のABPEを表しています。 測定された効率は 0.52 V でピークに達し、ABPE 効率は 1% であり、水の分解には非常に有望です。 特定の材料の水分解ポテンシャルが熱力学的ポテンシャルを超えてはいけないことに注意してください。 この分析では犠牲ドナーや化学バイアスは使用されず、参照電極とともに電極カウンターのバイアスが報告されました。

励起波長の関数として、入射光子対電流効率 (IPCE) は、光電流と光源からの入射光子の比率の比に対応します。 電極を照射するために単色光源が使用され、IPCE 係数は次の式 45 を使用して計算されました。

ここで、1240 nm はプランク定数 (h) の乗算、Pmono は単色照明のパワー強度 (mW cm-2)、λ は照射光の波長 (nm) です。

IPCE 対波長のプロットを図 6d に示します。 フィルムの IPCE は 800 から 400 nm まで連続的に増加しており、これは水分解用途に関する文献 55,56 の結果よりも有望です。 ナノフレークは800 nmの波長の光で刺激できるため、この増加は、ナノフレークのバンドギャップが1.6 eVより若干小さいことを意味します。 このバンドギャップは、CuO 相中の NiO の存在によるものである可能性があり、以前に得られた結果とよく一致しています。 プロットは 432 nm でピークに達し、-0.3 V 対 SCE で約 18% になります。 これらの値は、文献で報告されている値よりも大きいです55、56。

光触媒材料の実際の用途では二電極システムが採用されているため、フィルム電極のj-Vプロットは二電極システムを使用してプロットされ、Ptワイヤとフィルム電極がそれぞれ対極と作用電極として適用されました。 結果を図6fにプロットします。 光電流は-0.3 Vから流れ、電流密度は-1.9 mA cm-2で、約1.2 Vでピークに達しました。これは2電極システムの場合と同等です。 2 電極システムの j-V プロットの全体的な形状は、外部バイアスが印加されると、このナノ材料が水分解用途の電位 - 0.3 V を超えて効果的に使用できることを意味します。

この研究では、表S2に示されているほとんどの研究と同様に、開始電位の分析、暗電流と照明下での光電流の比較、0.6の電位窓におけるABPEのパーセンテージを介して、水分解における光電極の性能を間接的に測定しました。 V、波長400〜800 nm（光の波長）間のIPCEのパーセンテージ、および2電極システムでの光電流の測定をすべて図6に示します。これらの間接的な方法は、参考文献1に詳しく説明されています。 54.

ナノ CuO の伝導帯は、水素を生成するのに十分な負の電位を提供できないことが証明されています 57。 水の分子を分解するには、電極の性能が高レベルの伝導帯側と一致している必要があり、最近の文献では通常、RHE に対して - 0.2 ～ - 0.6 V であることがわかっています 57,58。 NiO のエネルギーバンドは、CuO と Cu2O Y58,59 のエネルギーバンドの間に位置します。 したがって、少量の NiO を添加すると、CuO の電気化学的性能を向上させることができます。 光生成された電子は酸化銅材料に転送され、水素発生のためにトラップされます。ベース材料内に均一な分布が得られると、NiO が遊離することでさらに改善されます。 光電子活動に陰極過渡ピークがある場合、NiO や Pt などのドーピング材料がそれらの予期せぬ遷移の除去を助け、プロセスを比較的安定させることができ、これにより水分解における水素発生の効率が向上します。 重要性を高めるために、この研究の結果と文献研究の既存のデータとの比較研究が表にまとめられ、補足に示されています（表S2）。

廃FPCBの熱化学変換および変換により、その場NiOドーパントを含む純相CuOの合成に成功した。 CuO ナノフレークは、その場で NiO ドーピングを行った電子廃棄物 FPCB から生成されました。 その場での NiO ドーピングは、FPCB の表面に Ni エマルションが存在し、FPCB を熱や環境から保護するために発生しました。 NiOドープCuOナノフレークがFPCB廃棄物から初めて生成された。 この廃棄物の発生源と組成は一貫しており、有名な FPCB メーカーから提供されています。 これらは、FPCB の大きなシートが必要な形状とサイズに打ち抜かれ、切断される最終生産段階からの端材であり、大量の廃棄物資源が残ります。 NiOドープナノ材料を合成するために、これまでの研究者は純粋なNiCO3、Ni(NO3)、NiSO4を使用していましたが、この研究ではこの目的のために追加の原料は使用されていません。 Cu および Ni 化​​合物は高価であり、これらの元素の廃棄資源を利用することは有益であるため、このプロセスは費用対効果が高くなります。

500 °C での熱分離技術を適用して、Ni 表面仕上げを施した純粋な Cu を回収しました。 次に、これを化学的経路によって NiO ドープ CuO ナノフレークに変換しました。 合成されたナノフレークは、洗練された 1D ナノロッド (幅約 5 nm) 構造を持ち、これが結合してナノフレーク (幅は約 10 ～ 50 nm、長さは約 30 ～ 80 nm) を形成します。 CuO ナノフレークの比表面積は 115.703 m2 g-1 であり、細孔サイズ分布は、CuO ナノフレークが平均細孔直径 6 nm のメソポーラス構造を持っていることを示しています。 ナノフレークは、バンドギャップが 1.57 eV 未満で、可視および赤外領域で約 70 ～ 75% の反射率を示します。 NiO ドープ CuO 光電陰極は、照明下で PEC 試験に導入した場合、RHE に対して 0.05 V で 1.9 mA cm-2 の光電流が得られました。 私たちは、これらの発見が、問題のある電子廃棄物に由来する材料を応用して、大きな産業的可能性を備えた高価値のナノ材料を合成するためのさらなる研究を促進することを期待しています。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、オーストラリア研究評議会の産業変革研究ハブ資金調達スキーム (プロジェクト IH190100009) によって支援されました。

Center for Sustainable Materials Research and Technology、SMaRT@UNSW、School of Materials Science and Engineering、UNSW シドニー、シドニー、オーストラリア

ルマナ ホサイン、ラソウル ハイヤーム ネコウェイ、アブドラ アル マフムード、ヴィーナ サハジワラ

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RH がプロジェクトを設計し、実験とデータ分析を実行します。 彼女は、サンプル合成実験、顕微鏡検査、XRD、BET、UV-Vis 分光法、ラマンを実施しました。 RKN は電極の製造と電気化学的特性を実行しました。 AAMは熱化学実験を行った。 RHが原稿を書きました。 VS は研究を監督し、原稿を改訂するための提案を行いました。 著者全員がデータを分析し、結果について議論し、最終原稿を読んで承認しました。

ルマナ・ホサインへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Hossain, R.、Nekouei, RK、Al Mahmood, A. 他廃フレキシブルプリント基板からNiOドープCuOナノフレークを付加価値をつけて製造し、高度な光触媒用途に応用します。 Sci Rep 12、12171 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16614-4

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受信日: 2022 年 2 月 7 日

受理日: 2022 年 7 月 12 日

公開日: 2022 年 7 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16614-4

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