1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 10, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 10, стр. 610-616

Электрохимическое восстановительное допирование TiO2-нанотрубок для увеличения эффективности фотоэлектрохимического разложения воды

Н. А. Зосько a, *, Т. А. Кенова a, **, О. П. Таран a, b, А. М. Жижаев a

a Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
Красноярск, Россия

b Сибирский федеральный университет
Красноярск, Россия

* E-mail: rtkm.1@mail.ru
** E-mail: kta@icct.ru

Поступила в редакцию 15.11.2022
После доработки 07.02.2023
Принята к публикации 27.02.2023

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.

Ключевые слова: TiO2-нанотрубки, анодное окисление, электрохимическое допирование, активация, фотоэлектрохимическая активность, разложение воды

Список литературы

  1. 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 .

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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.

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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.

  10. 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.

  11. 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.

  12. 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.

  13. 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.

  14. 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.

  15. 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.

  16. 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.

  17. 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.

  18. 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.

  19. 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.

  20. 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.

  21. 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.

  22. 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.

  23. 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.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал