One step laser-induced synthesis of a bimetallic iron-cobalt sulfide for efficient solar light driven, Fenton-like and electrochemical catalysis

Abstract

Pulsed laser irradiation of an equimolar mixture of FeS2 and CoS2 onto a Ta substrate results in the one-step formation of bimetallic iron cobalt sulfide. The use of complementary analytical techniques, such as scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, high-resolution electron microscopy, and electron diffraction, confirmed the presence of nanocrystalline cobaltpentlandite [FeCo8S8] and maghemite [γ-Fe2O3]. The mechanism by which this occurs involves the reactive interaction of laser-ionized Fe, Co, and S species, which subsequently undergo rapid non-equilibrium cooling and deposition. The higher deposition tendency of CoS2 along with iron ions/atoms leads to the formation of FeCo8S8. This proposed mechanism is supported by density functional theory (DFT), which provides a deeper understanding of the higher thermodynamic stability of Fe in Co1−xFexS2 compared with Co in Fe1−xCoxS2. The FeCo8S8-based deposit exhibited enhanced catalytic efficiency for methylene blue daylight-driven and Fenton-like degradation. In contrast, for solar light-driven degradation of sulfamethoxazole and trimethoprim, the FeCo8S8-based deposit does not show enhanced catalytic activity compared to FeS2 and CoS2. Additionally, electrochemical testing of the oxygen evolution reaction (OER) revealed significantly improved performance for the FeCo8S8-based deposit compared to FeS2 and CoS2 individually.

Pulzní laserové depozice ekvimolární směsí FeS2 a CoS2 na Ta substrát vede k jednokrokové tvorbě bimetalického sulfidu železa a kobaltu. Použití doplňujících se analytických technik, jako je skenovací elektronová mikroskopie, Ramanova spektroskopie, rentgenová fotoelektronová spektroskopie, rentgenová difrakce, elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením a elektronová difrakce, potvrdilo přítomnost nanokrystalického kobaltpentlanditu [FeCo8S8] a maghemitu [g-Fe2O3]. Mechanismus, kterým ke vzniku těchto fází dochází, zahrnuje reaktivní interakci laserem ionizovaných částic Fe, Co a S, které následně podléhají rychlému nerovnovážnému ochlazování a depozici. Vyšší tendence CoS2 k desublimaci spolu s ionty/atomy železa vede k tvorbě FeCo8S8. Tento navrhovaný mechanismus je podpořen kalkulací DFT, která poskytuje hlubší pochopení vyšší termodynamické stability Fe v Co1−xFexS2 ve srovnání s Co v Fe1−xCoxS2. Depozit na bázi FeCo8S8 vykazoval zvýšenou katalytickou účinnost pro degradaci methylenové modři řízenou denním světlem a Fentonovou reakcí. Naproti tomu u degradace sulfamethoxazolu a trimethoprimu řízené slunečním světlem nevykazuje depozit na bázi FeCo8S8 zvýšenou katalytickou aktivitu ve srovnání s FeS2 a CoS2. Elektrochemické testování reakce vývoje kyslíku (OER) navíc odhalilo významně lepší výkon depozitu na bázi FeCo8S8 ve srovnání s jednotlivými depozity FeS2 a CoS2.