Enhanced visible light absorption of shape-controlled TiO2@Fe2O3 composites

• Autorzy: Synowiec, Milena , Zazakowny, Karolina

Warianty tytułu

PL

Zwiększona absorpcja światła widzialnego w kompozytach TiO2@Fe2O3 o kontrolowanym kształcie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents titanium(IV) oxide nanocrystals in the crystalline form of anatase obtained by hydrothermal synthesis using various shape-controlling agents. Two methods were applied. In the first, diethanolamine (DEA) was used as the shape-controlling agent and titanium(IV) isopropoxide (TTIP) as the TiO2 precursor. In the second method, carbonate ions were responsible for controlling the shape, while potassium titanate nanowires (KTNWs) were the precursor of TiO2. The expected application of the nanocrystals was related to the absorption of visible light. Therefore, the main goal was to modify shape-controlled TiO2 with a narrow band semiconductor providing absorption of light in that range. Based on spectrophotometric analysis, it was found that the TiO2@Fe2O3 composites possess a band gap in the range between 2.21 and 2.30 eV which originates from the Fe2O3 nanoparticles. Moreover, a small amount of Fe3+ ions was incorporated into the TiO2 lattice, as evidenced by the band gap ranging from 2.85 to 2.95 eV.

PL

Przedstawiono nanokryształy dwutlenku tytanu w postaci anatazu otrzymane w wyniku syntezy hydrotermalnej przy zastosowaniu różnych środków kontroli kształtu. W pierwszej metodzie użyto dietanoloaminy (DEA) jako środka regulującego kształt i izopropanolanu tytanu(IV) (TTIP) jako prekursora TiO2. W drugiej metodzie za kontrolę kształtu odpowiadały jony węglanowe, a prekursorem były nanodruty tytanianu potasu (KTNWs). Mając na uwadze przyszłe wykorzystanie otrzymanych nanokryształów w zastosowaniach związanych z absorpcją światła widzialnego, celem było zmodyfikowanie TiO2 o kontrolowanym kształcie za pomocą półprzewodnika wąskopasmowego, którego absorpcja promieniowania obejmuje obszar widzialny. Uzyskane kompozyty TiO2@Fe2O3 posiadają przerwę wzbronioną o wartości z przedziału od 2,21 do 2,30 eV pochodzącą od nanocząstek Fe2O3. Ponadto niewielka ilość jonów Fe3+ została wprowadzona do sieci TiO2, o czym świadczy przerwa wzbroniona o wartości 2,85÷2,95 eV.

Słowa kluczowe

PL

nanokryształy dwutlenku tytanu; półprzewodnik wąskopasmowy; hematyt; absorpcja promieniowania widzialnego; kompozyty TiO2@Fe2O3

EN

titanium dioxide nanocrystals; narrow band gap semiconductor; hematite; visible light absorption; TiO2@Fe2O3 composites

• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 20, nr 3-4
• Strony: 157--162
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Synowiec, Milena

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

autor

Zazakowny, Karolina

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Schneider J., Matsuoka M., Takeuchi M., Zhang J., Horiuchi Y., Anpo M., Bahnemann D.W., Understanding TiO2 photocatalysis: Mechanisms and materials, Chem. Rev. 2014, 114, 9919-9986.
• [2] Zhao X., Jin W., Cai J., Ye J., Li Z., Ma Y., Xie J., Qi L. Shape- and size-controlled synthesis of uniform anatase TiO2 nanocuboids enclosed by active {100} and {001} facets, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3554-3563.
• [3] Ye L., Liu J., Tian L., Peng T., Zan L., The replacement of {101} by {010} facets inhibits the photocatalytic activity of anatase TiO2, Appl. Catal. B Environ. 2013, 134-135, 60-65.
• [4] Kontos A.I., Kontos A.G., Tsoukleris D.S., Bernard M.C., Spyrellis N., Falaras P., Nanostructured TiO2 films for DSSCS prepared by combining doctor-blade and sol-gel techniques, J. Mater. Process. Technol. 2008, 196, 243-248.
• [5] Euvananont C., Junin C., Inpor K., Limthongkul P., Thanachayanont C., TiO2 optical coating layers for self-cleaning applications, Ceram. Int. 2008, 34, 1067-1071.
• [6] Lin S., Li D., Wu J., Li X., Akbar S.A., A selective room temperature formaldehyde gas sensor using TiO2 nanotube arrays, Sensors Actuators, B Chem. 2011, 156, 505-509.
• [7] Menzel R., Duerrbeck A., Liberti E., Yau H.C., McComb D., Shaffer M.S.P., Determining the morphology and photocatalytic activity of two-dimensional anatase nano-platelets using reagent stoichiometry, Chem. Mater. 2013, 25, 2137-2145.
• [8] Li C., Koenigsmann C., Ding W., Rudshteyn B., Yang K.R., Regan K.P., Konezny S.J., Batista V.S., Brudvig G.W., Schmuttenmaer C.A. et al., Facet-dependent photoelectro-chemical performance of TiO2 nanostructures: An experimental and computational study, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1520-1529.
• [9] Roy N., Park Y., Sohn Y., Leung K.T., Pradhan D., Green synthesis of anatase TiO2 nanocrystals with diverse shapes and their exposed facets-dependent photoredox activity, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 16498-16507.
• [10] Li J., Yu Y., Chen Q., Li J., Xu D., Controllable synthesis of TiO2 single crystals with tunable shapes using ammonium-exchanged titanate nanowires as precursors, Cryst. Growth Des. 2010, 10, 2111-2115.
• [11] Chen C., Hu R., Mai K., Ren Z., Wang H., Qian G., Wang Z., Shape evolution of highly crystalline anatase TiO2 nanobipyramids, Cryst. Growth Des. 2011, 11, 5221-5226.
• [12] Wu L., Yang B.X., Yang X.H., Chen Z.G., Li Z., Zhao H.J., Gong X.Q., Yang H.G., On the synergistic effect of hydrohalic acids in the shape-controlled synthesis of anatase TiO2 single crystals, Cryst. Eng. Comm. 2013, 15, 3252-3255.
• [13] Kusior A., Synowiec M., Zakrzewska K., Radecka M., Surface-controlled photocatalysis and chemical sensing of TiO2, α-Fe2O3, and Cu2O nanocrystals, Crystals 2019, 9.
• [14] Mishra M., Chun D.M., α-Fe2O3 as a photocatalytic material: A review, Appl. Catal. A Gen. 2015, 498, 126-141.
• [15] Zhang J., Kuang M., Wang J., Liu R., Xie S., Ji Z., Fabrication of carbon quantum dots/TiO2/Fe2O3 composites and enhancement of photocatalytic activity under visible light, Chem. Phys. Lett. 2019, 730, 391-398.
• [16] Mei Q., Zhang F., Wang N., Yang Y., Wu R., Wang W., TiO2/Fe2O3 heterostructures with enhanced photocatalytic reduction of Cr(VI) under visible light irradiation. RSC Adv. 2019, 9, 22764-22771.
• [17] Yang X., Liu R., Du C., Dai P., Zheng Z., Wang D., Improving hematite-based photoelectrochemical water splitting with ultrathin TiO2 by atomic layer deposition, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 12005-12011.
• [18] Li X., Bassi P.S., Boix P.P., Fang Y., Wong L.H., Revealing the role of TiO2 surface treatment of hematite nanorods photoanodes for solar water splitting, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 16960-16966.
• [19] Mansour H., Letifi H., Bargougui R., De Almeida-Didry S., Negulescu B., Autret-Lambert C., Gadri A., Ammar S., Structural, optical, magnetic and electrical properties of hematite (α-Fe2O3) nanoparticles synthesized by two methods: polyol and precipitation, Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 2017, 123, 10 pages.
• [20] Kusior A., Zych L., Zakrzewska K., Radecka M., Photocatalytic activity of TiO2/SnO2 nanostructures with controlled dimensionality/complexity, Appl. Surf. Sci. 2019, 471, 973-985.
• [21] Chernyshova I.V., Ponnurangam S., Somasundaran P., On the origin of an unusual dependence of (bio)chemical reactivity of ferric hydroxides on nanoparticle size, Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 14045-14056.
• [22] Santos R.D.S., Faria G.A., Giles C., Leite C.A.P., Barbosa H.D.S., Arruda M.A.Z., Longo C., Iron insertion and hematite segregation on Fe-doped TiO2 nanoparticles obtained from sol-gel and hydrothermal methods, ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 5555-5561.