Электрохимическое восстановительное допирование TiO2-нанотрубок для увеличения эффективности фотоэлектрохимического разложения воды
- Авторы: Зосько Н.А.1, Кенова Т.А.1, Таран О.П.1,2, Жижаев А.М.1
-
Учреждения:
- Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
- Сибирский федеральный университет
- Выпуск: Том 59, № 10 (2023)
- Страницы: 610-616
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0424-8570/article/view/141825
- DOI: https://doi.org/10.31857/S042485702310016X
- EDN: https://elibrary.ru/WEZEPP
- ID: 141825
Цитировать
Аннотация
Методом электрохимического анодного окисления титановой фольги получены пленки TiO2, представляющие собой 1D нанотрубчатую структуру. Электрохимическая восстановительная активация электродов на основе TiO2-нанотрубок проведена с использованием метода циклической вольтамперометрии (ЦВА). Активированные электроды показали существенно более высокие плотность тока и квантовую эффективность процесса фотоэлектрохимического разложения воды по сравнению с нативными TiO2-нанотрубками. Электрохимическая обработка электродов методом ЦВА приводит к увеличению плотности фототока от 4 до 14 раз в зависимости от используемой длины волны и прикладываемого потенциала. Анализ спектров электрохимического импеданса показал, что повышение характеристик фотоэлектрохимического процесса обусловлено увеличением скорости передачи заряда на межфазной границе полупроводник/электролит, а также ростом электронной проводимости оксидного слоя, что способствует лучшему разделению носителей заряда и снижению скорости их рекомбинации.
Об авторах
Н. А. Зосько
Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: rtkm.1@mail.ru
Россия, Красноярск
Т. А. Кенова
Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: kta@icct.ru
Россия, Красноярск
О. П. Таран
Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет
Email: kta@icct.ru
Россия, Красноярск; Россия, Красноярск
А. М. Жижаев
Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: kta@icct.ru
Россия, Красноярск
Список литературы
- Chen, X., Liu, L., Yu, P.Y., and Mao, S.S., Increasing Solar Absorption for Photocatalysis with Black Hydrogenated Titanium Dioxide Nanocrystals, Science, 2011, vol. 331, p. 746 .
- Ying, D., Cao, R., Li, C., Tang, T., Li, K., Wang, H., Wang, Y., and Jia, J., Study of the photocurrent in a photocatalytic fuel cell for wastewater treatment and the effects of TiO2 surface morphology to the apportionment of the photocurrent., Electrochim. Acta, 2016, vol. 192, p. 319.
- Li, H., Chen, Z., Tsang, C. K., Li, Z., Ran, X., Lee, C., Nie, B., Zheng, L., Hung, T.F., Lu, J., Pan, B., and Li, Y., Electrochemical doping of anatase TiO2 in organic electrolytes for high-performance supercapacitors and photocatalysts, J. Mater. Chem., 2014, vol. 2, p. 229.
- Palmas, S., Polcaro, A.M., Ruiz, J.R., Pozzo, A.D., Mascia, M., and Vacca, A., TiO2 photoanodes for electrically enhanced water splitting, Internat. J. Hydrogen Energy, 2010, vol. 35, p. 6561.
- Sahoo, S. S., Mansingh, S., Babu, P., and Parida, K., Black titania an emerging photocatalyst: review highlighting the synthesis techniques and photocatalytic activity for hydrogen generation, Nanoscale Advances, 2021, vol. 3, p. 5487.
- Samioloa, L., Valigi, M., Gazzoli, D., and Amadelli, R., Photo-electro catalytic oxidation of aromatic alcohols on visible light-absorbing nitrogen-doped TiO2, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, no. 26. p. 7788.
- Xing, M.-Y., Li, W.-K., Wu, Y.-M., Zhang, J.-L., and Gong, X.-Q., Formation of New Structures and Their Synergistic Effects in Boron and Nitrogen Codoped TiO2 for Enhancement of Photocatalytic Performance, J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, no. 16, p. 7858.
- Naldoni, A., Altomare, M., Zoppellaro, G., Liu, N., Kment, Š., Zbořil, R., and Schmuki, P., Photocatalysis with Reduced TiO2: From Black TiO2 to Cocatalyst-Free Hydrogen Production, ACS Catalysis, 2019, vol. 9, p. 345.
- Wang, Z., Wang, Z., Yang, C., Yang, C., Lin, T., Lin, T., Yin, H., Chen, P., Wan, D., Xu, F., Huang, F., Huang, F., Lin, J., Xie, X., and Jiang, M., Visible-light photocatalytic, solar thermal and photoelectrochemical properties of aluminium-reduced black titania, Energy and Environmental Sci., 2013, vol. 6, p. 3007.
- Shah, M., Zhu, Y., Fan, X., Zhao, J., Li, Y., Asim, S., and Wang, C., Facile Synthesis of Defective TiO2–x Nanocrystals with High Surface Area and Tailoring Bandgap for Visible-light Photocatalysis, Scientific Reports, 2015, vol. 5, p. 15804.
- Li, G., Lian, Z., Li, X., Xu, Y., Wang, W., Zhang, D., Tian, F., and Li, H., Ionothermal synthesis of black Ti3+-doped single-crystal TiO2 as an active photocatalyst for pollutant degradation and H2 generation, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 3748.
- Panomsuwan, G., Watthanaphanit, A., Ishizaki, T., and Saito, N., Water-plasma-assisted synthesis of black titania spheres with efficient visible-light photocatalytic activity, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, vol. 17, p. 13794.
- Nakajima, T., Nakamura, T., Shinoda, K., and Tsuchiya, T., Rapid formation of black titania photoanodes: pulsed laser-induced oxygen release and enhanced solar water splitting efficiency, J. Mater. Chem. A, 2014, vol. 2, no. 19, p. 6762.
- Yang, Y., Liao, J., Li, Y., Cao, X., Li, N., Wang, C., and Lin, S., Electrochemically self-doped hierarchical TiO2 nanotube arrays for enhanced visible-light photoelectrochemical performance: an experimental and computational study, RSC Advances, 2016, vol. 6, no. 52, p. 46871.
- Wu, H., Li, D., Zhu, X., Yang, C., Liu, D., Chen, X., Song, Y., and Lu, L., High-performance and renewable supercapacitors based on TiO2 nanotube array electrodes treated by an electrochemical doping approach, Electrochim. Acta, 2014, vol. 116, p. 129.
- Fabregat-Santiago, F., Barea, E.M., Bisquert, J., Mor, G.K., Shankar, K., and Grimes, C.A., High carrier density and capacitance in TiO2 nanotube arrays induced by electrochemical doping, J. Amer. Chem. Soc., 2008, vol. 130 34, p. 11312.
- Berger, T., Lana-Villarreal, T., Monllor-Satoca, D., and Gómez, R., Charge transfer reductive doping of nanostructured TiO2 thin films as a way to improve their photoelectrocatalytic performance, Electrochem. Commun., 2006, vol. 8, no. 11, p. 1713.
- Jankulovska - Petkovska, M., Berger, T., Wong, S., Gómez, R., and Lana-Villarreal, T., Trap States in TiO2 Films Made of Nanowires, Nanotubes or Nanoparticles: An Electrochemical Study, Chemphyschem : a Europ. j. chem. phys. and phys. chem., 2012, vol. 13, p. 3008.
- Zhu, H., Zhao, M., Zhou, J., Li, W., Wang, H., Xu, Z., Lu, L., Pei, L., Shi, Z., Yan, S., Li, Z., and Zou, Z., Surface states as electron transfer pathway enhanced charge separation in TiO2 nanotube water splitting photoanodes, Appl. Catal. B: Environmental, 2018, vol. 234, p. 100.
- Varghese, O.K. and Grimes, C.A., Appropriate strategies for determining the photoconversion efficiency of water photoelectrolysis cells: A review with examples using titania nanotube array photoanodes, Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, vol. 92, no. 4. p. 374.
- Yu, D., Zhang, Y., Wang, F., and Dai, J., Preparation of ZnO/two-layer self-doped black TiO2 nanotube arrays and their enhanced photochemical properties, RSC Advances, 2021, vol. 11, no. 4, p. 2307.
- Bredar, A., Chown, A., Burton, A., and Farnum, B., Electrochemical Impedance Spectroscopy of Metal Oxide Electrodes for Energy Applications, ACS Appl. Energy Mater., 2020, vol. 3, p. 66.
- Leshuk, T., Parviz, R., Everett, P., Krishnakumar, H., Varin, R.A., and Gu, F.X., Photocatalytic activity of hydrogenated TiO2, ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2013, vol. 56, p. 1892.