Fotokatalitinio vandens skaidymo ant vandens garų plazma aktyvuoto titano paviršiaus tyrimas

Abstract

Titano dioksidas (TiO2) yra vienas iš labiausiai naudojamų fotokatalizatorių. Tačiau, atsižvelgiant į per pastaruosius dešimtmečius atliktus tyrimus, vandens skaidymui panaudojant TiO2, vis dar nepasiektas geras fotokonversijos efektyvumas. Pagrindinė su tuo susijusi problema yra TiO2 draustinės juostos plotis, kuris varijuoja nuo 3,0 iki 3,2 eV priklausomai nuo atitinkamos TiO2 fazės. Šiame darbe yra pateikiamas naujas būdas įgalinantis padindinti vandens skaidymo efektyvumą. Metodologiškai, pirmiausiai yra suformuojama plona titano danga, kuri vėliau yra oksiduojama vandens garų plazmoje. Atlikti tyrimai parodė, kad paviršinis oksiduotos Ti dangos sluoksnis veikia kaip fotoelektrocheminės celės kietas elektrolitas ir skaido ant dangos paviršiaus adsorbuotas vandens molekules, o teigiami vandenilio jonai yra redukuojami kitoje kieto elektrolito pusėje. Galimai aukštas skaidymo efektyvumas yra paaiškinamas plazmos inicijuojamu preferenciniu deguonies atomų pašalinimu nuo paviršiaus ir kaskadinių susidūrimų metu aktyvuotų atomų fotoninės emisijos. Plazminė paviršiaus modifikacija įtakoja dangos mikrostruktūros ir sudėties pasikeitimo procesus. Plazminio poveikio efektai yra susiejami su cheminių reakcijų padidėjimu skatinamų fotoninės, elektroninės ar joninės apšvitos arba su aktyvuotų elementų plazmoje susidarymu, kas nulemia funkcinių grupių ant paviršiaus formavimąsi taip padidinant drėkinimo efektą. Taip pat, esant tiesioginiam plazmos poveikiui (in situ) titano dioksido dangos paviršiaus draustinės juostos plotis gali būti kur kas mažesnis. Vandens garų plazmoje, esant atitinkamoms sąlygoms, titano dioksido fotokatalitinės savybės yra modifikuojamos ir įtakojamos reaktyvių sričių kūrimosi dėl joninio poveikio.

Titanium dioxide (TiO2) is considered as one of the most usable photocatalyst. However, according to the researches done in recent decades, using TiO2 for decomposition of water, high efficiency of photoconversion has not been reached yet. The main reason of this is wide band gap of TiO2, which varies from 3.0 eV to 3.2 eV depending on TiO2 phase. In this work, novel approach presents the ability to increase the efficiency of water splitting. Methodologically, a thin titanium film is formed at the beginning, which is later oxidized in water vapour plasma. Studies have shown that surface of oxidized Ti film acts like photoelectrochemical cell solid electrolyte, splits on film surface adsorbed water molecules, and positive hydrogen ions are reduced on the other side of electrolyte. Possibly high splitting efficiency is explained by removal of plasma initiated oxygen atoms from the surface and activated photonic emission in the presence of cascade collisions. Plasma surface modification influences processes of film microstructure and composition changes. The effects of plasma treatment are related to the enhancement of chemical reactions by irradiation with photons, electrons, ions, or activated species produced in the plasma, as this leads to the formation of functional groups on the surface thus increasing the wettability. Moreover, under direct plasma treatment (in situ) band gap width of TiO2 surface might be significantly reduced. The photocatalytic properties of TiO2 under water vapour plasma are modified and affected by the creation of reactive sites by ion impact under the present conditions.