酸素空孔によりバンドギャップが狭くなり、効率よく可視化できる

Jan 26, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14105 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

ルチル型 TiO2 のバンドギャップは、TiO2 コーティングが埋め込まれた炭素粉末 (cHT) の熱処理中に酸素空孔 (OV) が形成されることによって狭くなります。 バンドギャップが狭くなったことで、TiO2 コーティングの可視光応答が効率的に改善され、可視光駆動の光触媒活性がさらに強化されました。 cHT 中の OV の変化は、cHT の温度と時間を操作することによって研究されています。 非化学量論的 TiO2-x のバンド構造に対する OV の影響は、第一原理計算によってさらに計算されました。 SEM画像は、温度が上昇するにつれて、ナノサイズの繊維状構造がTiO2コーティングの表面に形成され、繊維状構造の量が大幅に増加し、そのサイズが800℃以下でナノからマイクロに変化することを示しています。アクセス可能な表面積が増加します。 UV-Vis の結果は、形成された酸素空孔により、cHT 中に TiO2 のバンドギャップが狭まったことを明らかにしています。 XPS 結果は、OV を含む表面欠陥の形成をさらに確認し、XPS 深さプロファイルは、O の相対量が減少しているのに対し、炭素の相対量が増加していることを示しています。 特に、TiO2 コーティングの cHT 後、光触媒活性は最初に増加し、その後温度の上昇とともに減少し、850 °C で約 3 倍に達します。 第一原理計算は、局在電子を有する TiO2 コーティング内の OV がバンドギャップの狭まりを促進し、可視光下での光触媒活性の強化にさらに有利になる可能性があることを示唆しています。

環境汚染とエネルギー危機という緊急の問題に直面して、再生可能資源を利用して再生可能エネルギー技術を開発することは、ブレークスルーを必要とする緊急の課題となっています。 光触媒は、光触媒効果により有機汚染物質を効率よく分解したり、化学エネルギーを生成したりできるため、これらの問題を軽減し、さらに解決する大きな可能性を秘めた候補と考えられています。 二酸化チタン (TiO2) は、適切なバンドエッジ位置、卓越した安定性、安価で優れた光触媒活性のため、最も重要な光触媒材料の 1 つと見なされます 1,2,3。 ただし、TiO2 は、可視光応答に関して、その比較的広いバンドギャップ (アナターゼの約 3.2 eV、またはルチルの約 3.0 eV) によって制限されています 4、5、6。 現在、ドーパントや欠陥（OV、Ti3+、格子歪み）の導入によりバンドギャップを狭めたり、より小さなバンドギャップやより優れた可視光応答性を持つ光触媒と複合したりするなど、TiO2 の可視光吸収を改善するために多大な努力が払われています7。 8、9、10、11、12、さらに実用的なアプリケーションのニーズに対応します。 さらに、窒素、硫黄、炭素などの非金属を TiO2 格子にドープすると、バンドギャップ内に局在化した電子状態が導入され、吸収端が紫外領域から可視領域に拡張できることが多くの文献で報告されています。 14、15、16。

特に、TiO2 格子への C 不純物の制御可能なドーピングは、光触媒活性を向上させる効果的なアプローチです。これは、C が TiO2 格子に浸透して、Ti-C または C-O-Ti 結合の形成を伴い、O または Ti 原子を置換できるためです。 TiO2 の価電子帯を超える混成軌道を生成し、輸送チャネルと電子貯蔵容量による再結合を大幅に抑制します。 カーンらの後。 は、2002 年に約 2.32 eV の低いバンドギャップを持つ TiO2 の格子酸素原子を炭素で置換することを報告しました17。多くの研究者は、C ドープ TiO2 がバンドギャップを狭め、OV などの表面欠陥を生成する効果的な戦略であることを次々に証明してきました。可視光による光触媒活性を強化します18、19、20、21、22。

ドーピングとは別に、OV 誘起光触媒は、可視光応答と電荷分離を同時に達成し、O 含有分子の吸着とその後の解離の活性点として機能するもう 1 つの効率的なソリューションです。 2000 年に、中村ら。 Schaub らは、TiO2 光触媒において価電子帯と伝導帯の間に位置する OV の可視光応答の役割を調査しました 23。 Wendtらは、2002年にルチルTiO2上のOVの拡散機構を解明した24。 は、OV が誘導されたホールトラップによって電荷分離を大幅に促進できることを報告しました 25。 電子構造解析の観点から、OV は伝導帯以下にある種の欠陥状態 (Ti3+、点欠陥など) を導入し、バンドギャップを狭くして見やすくすることで金属酸化物半導体の電子構造を改善できると一般に考えられています。 -軽い反応26,27。 さらに重要なことは、実験測定と理論計算から、OV の量が可視光応答と TiO2 の光触媒活性の向上に重要な役割を果たしているということです 28、29、30、31。