Электроды из кремний-легированных TiO2 массивов нанотрубок с улучшенными фотоэлектрокаталитическим действием

Электроды из кремний-легированных TiO₂ массивов нанотрубок с улучшенными фотоэлектрокаталитическим действием.

Yan Su, Shuo Chen, Xie Quan *, Huimin Zhao, Yaobin Zhang

Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering (Ministry of Education, China), School of Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Аннотация

Кремний-легированные массивы  нанотрубок титана были получены электрохимическим  анодированием на пластине Ti, с последующим химическим осаждением кремния из паровой фазы (CVD) с использованием тетраэтилортосиликата в качестве источника кремния. Высоко упорядоченные массивы нанотрубок полученные анодированием сохранили свою нанотрубчатую структурную целостность после процесса химического осаждения кремния из паровой фазы. Результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и рентгеновской дифракции (РД) показали, что допированный кремний включен в матрицу диоксида титана. Такое включение позволило увеличить термическую стабильность титана, который был в пользу подавления фазовых превращений от анатаза в рутил, а также ингибирования роста кристаллитов анатаза диоксида титана при высокой температуре обжига. Значительная сине-сдвиг наблюдается в спектре УФ-поглощения. Поверхность кремний-легированных массивов нанотрубок диоксида титана показала супер-гидрофильное поведение под действием УФ-освещения. Для электрода из кремний-легированных массивов нанотрубок титана, максимальная эффективность фотопреобразования составила 31,8% при облучении ртутной лампой высокого давления и 16,5% с помощью оптического фильтра (280-400 нм) при облучении той же лампой, что явно выше, чем у нелегированного электрода. Фотоэлектрокаталитическая (ФЭК) активность была исследована с помощью пентахлорфенола (ПХФ) в качестве контролируемого вещества. По сравнению с электродом на основе нелегированных нанотрубок TiO₂, легированный Si-TiO₂ показал лучшие ФЭК возможности в деградации ПХФ при облучении ртутной лампой  высокого давления.

Диоксид титана (TiO2) стал рассматриваться  как наиболее перспективный фотокатализатор  ввиду его низкой стоимости, отсутствие токсичности, высокой стабильности и высокой эффективности в разложении трудных для удаления органических загрязнителей. Тем не менее, технология фотокаталитического окисления с применением TiO2 фотокатализаторов всегда страдал от трудностей связанных с отделением взвешенных наночастиц TiO2 от водного раствора, с низким квантовым выходом вызванным быстрой рекомбинацией фотогенерированных электронов и дырок [1]. Для сравнения, иммобилизованных TiO2 пленки на твердом носителе спина [2] или падения покрытия [3] методами является более желательным, в свою фотокаталитический приложений, в то время как это все еще имеет дефекты, такие как плохая адгезия TiO2 фильм на поддержку носителей [4] и низкой поверхность поддерживается TiO2 фотокатализатора подвергаются решение. Таким образом, нанотрубки TiO2-массив фильм, растущих на подложке Ti на процессе анодирования появится прогресс по сравнению с иммобилизованными TiO2 пленки. В качестве интегративной электрода, нанотубулярных TiO2 пленка обладает высокой механической прочностью сцепления и электронной проводимостью, а также обеспечивает большую площадь поверхности для фотоэлектрохимических действий. В частности, трубчатая структура делает регионов как внутри, так и снаружи трубы (межтрубном область) легко доступны для окислительно-восстановительной пары в электролите, а также предлагает возможность влиять на поглощение и распространение света точно на проектирование и контроля геометрических параметров Архитектура [5,6]. Метод получения таких высоко упорядоченные массивы нанотрубок, основанные на анодирования титана в электролитах фторированные, сообщается в последние годы [7-9]. Кроме того, толщина и морфология таких нанотубулярных TiO2 фильм может быть легко управляется пошив анодирования условий, таких как применять потенциал, анодирование продолжительности и состава электролита [10-13]. В нашей предыдущей работе, хорошо выровнены TiO2 массивов нанотрубок была подготовлена ​​в разбавленной HF-содержащие электролиты, которые выставлены лучшие photoelectrocatalytic активности и эффективности фотопреобразования выше, чем иммобилизованных TiO2 фильма [14]. Учитывая такие свойства, TiO2 массивов нанотрубок достойны тщательного научного рассмотрения в фотокаталитического окисления приложений.