In this work, we significantly enhanced photocatalytic $CO_2$ conversion activity of $Cu_2O$ by constructing Z-scheme charge flow through hybridization of $Cu_2O$ with 3-dimensional nanowire arrays (NWAs) and $BiVO_4$. The BVO/C/$Cu_2O$ photocatalyst showed significantly enhanced charge separation and light harvesting properties, which result in 9.4 times and 4.7 times higher CO formation rate than those of $Cu_2O$ mesh and $Cu_2O$ NWAs under visible light irradiation. Coumarin probe molecule photoluminescence experimental result verifies that such enhancement was due to Z-scheme charge transfer mechanism that is photo-induced electron flow from conduction band of $BiVO_4$ to valence band of $Cu_2O$ via conductive carbon. In addition, our catalyst retained 98 % of initial photocatalytic $CO_2$ conversion performance after 5 reaction cycles (20 h) due to prevention of self-oxidation of $Cu_2O$ by protective carbon layer and z-schematic charge flow.
본 연구에서는 $Cu_2O$ 3차원 나노와이어 구조와 $BiVO_4$를 통한 제트 스킴 전자이동을 통해 광촉매적 이산화탄소 전환 활성을 향상시켰다. BVO/C/$Cu_2O$ 광촉매는 향상된 전자 분리와 빛 흡수 특성을 보여주었고, 이를 통해 가시광선 조사 아래에서 $Cu_2O$ 메쉬와 $Cu_2O$ 나노와이어 구조 보다 각각 9.4배 와 4.7배 높은 일산화탄소 생성 속도를 보여주었다. 이는 쿠마린 광발광 실험을 통해 제트 스킴 메커니즘으로 인한 $Cu_2O$의 컨덕션 밴드에서 $BiVO_4$의 벨런스 밴드로의 전자을 통해 향상된다는 것을 증명하였다. 추가로 본 촉매는 5 사이클의 이산화탄소 전환 (20시간) 이후에도 처음 활성의 98%를 유지하는 것을 확인하였고 이는 카본 층과 제트 스킴을 통한 $Cu_2O$의 산화를 막아서 임을 알 수 있었다.
