Boron doped titanium dioxide nanotube arrays: Production, characterization and photocatalytic properties

Abstract

Yaşam kaynağı olan su, toprak ve havanın içeriğine karışan zehirli organic bileşiklerin yarıiletken malzemeler varlığında fotokatalitik parçalanması ve mineralizasyonu son yıllarda çok ilgi görmüştür ve görmeye devam etmektedir. Yarı iletkenlerin elektronik yapısı elektron bant yapısı ile yani elektronca dolu valans bant ve boş iletim bant ile tanımlanır. Bir yarı iletken yeterli ışığa maruz bırakıldığında valans bantta bulunan elektron enerji kazanır ve valans bandında boşluk oluşarak elektron iletim bandına uyarılır. Bu elektron ve boşluklar yarı iletken yüzeyinde redoks reaksiyonlarını başlatabilir derecede iyi indirgeyici ve güçlü oksitleyici görevi görürler. Yüksek verim, kimyasal kararlılık ve toksik olmayan özelliklere sahip titanyum dioksit bir yarı iletken olarak en umut vaat edici fotokatalizördür. Bu nedenle bu çalışmada, geniş yüzey alanı oluşturma imkanı sağlayan anotlama yöntemi ile titanyum dioksit nanotüp yüzeyler üretilmiştir. Titanyum dioksit (TiO2) geniş bir bant aralığına sahiptir (3.2-3.6 eV) ve bu bant aralığı titanyum dioksidin ultra-viole (UV) ışık altında fotokatalitik etkinlik göstermesine olanak sağlamaktadır. Güneş enerjisi sadece % 5 oranında UV ışık ve % 45 oranında görünür ışık içermektedir. Buna bağlı olarak, titanyum dioksidin UV bölgedeki etkinliğinin görünür spektral aralığa kaydırılmasının fotokatalitik reaksiyonlarda güneş enerjisinin verimli kullanımı konusunda olumlu etkisi olacaktır. Görünür ışıkta aktif fotokatalizör geliştirilmesine yönelik bir çok çalışma mevcuttur. Bu çalışmanın amacı titanyum dioksidin bant aralığını düşürmek için bor (B) katkılandırması yapmaktır. Katkısız ve bor katkılı titanyum dioksit nanotüp yüzeyler saf titanyum üzerinde üretilmiştir ve kararlı nanotüp üretimi anotlama prosesiyle gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal anotlama işlemi sonrası oluşan amorf yapıdan kararlı anataz kristal fazına dönüşümü sağlamak için ısıl işlem uygulanmıştır. Numunelerin karakterizasyonu X-ışını kırınımı (XRD),dağılan yansıma absorbsiyon spektroskopi (DRS), atomic kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (SEM/EDS) analiz cihazları ile yapılmıştır. Son olarak fotokatalitik etkinlik UV ışık altında test edilip, fotokatalitik parçalanma UV-Görünür spektrometre cihazı ile saptanmıştır.

Photocatalytic degradation and complete mineralization of toxic organic compounds in water, soil, and air in the presence of semiconductor materials have received much attention over the last decades. Electronic structure of semiconductors is characterized by a filled valence band and an empty conduction band. When the semiconductor is irradiated with light of sufficient energy corresponding to or exceeding its band gap, an electron is promoted into the conduction band, leaving a hole in the valence band. The electrons and holes are good reductants and powerful oxidants, respectively, and they can initiate redox reactions on the semiconductor surface. Titanium dioxide (TiO2) as a semiconductor is considered the most promising photocatalyst due to its high efficiency, chemical stability and non-toxicity. Due to the fact that in this study, titanium dioxide nanotube arrays fabricated by potentiostatic anodization of titanium that offers a large internal surface area. TiO2 nanotube arrays have been found to possess outstanding charge transport and carrier lifetime properties enabling a variety of advanced applications, including their usage as sensors, dye sensitized solar cells, hydrogen generators, photocatalysts, and super capacitors. However, the use of TiO2 is restricted by its wide band gap (3.2-3.6 eV), which requires ultraviolet irradiation for photocatalytic activation (λ <387 nm). In addition, UV light include accounts for only about 5 % of solar energy; visible light, 45 %. The shift of the optical response of TiO2 from UV to the visible spectral range will have a profound positive effect on the efficient use of solar energy in photocatalytic reactions. Thus, much effort has been directed toward the development of visible light-active photocatalysts. With this manner aim of this study is to reduce the band gap energy of TiO2 nanotubes through boron (B) doping. Both pure and doped TiO2 nanotube arrays (TNTAs) were fabricated on pure titanium substrates and stable nanotube production was performed by anodization process. Electrochemical anodization process was followed by a heat treatment which led the transformation of amorphous structure in to crystalline anatase phase. Samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), diffuse reflectance absorption spectroscopy (DRS), atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS). Finally, photocatalytic efficiencies were tested under UV light and photocatalytical degradation and kinetics were evaluated by UV-Visible spectrophotometer.