Production of titanium dioxide thin films with improved photocatalytic activity: The use of bacteria as 3D templates

Abstract

TiO2, SnO2, and ZnO gibi geçiş metal oksit yarıiletkenler benzersiz kimyasal ve fiziksel özellikleri ile çok işlevli malzemeler olarak ilgi çekmektedir. Anataz yapıda olan TiO2 fotokatalizi sınır enerjisinden (385 nm) daha düşük dalga boyuna sahip UV ışıması ile uyarıldığında güçlü oksitleme potansiyeli oluşturur. Sentetik yöntemlerle elde edilen TiO2 örneklerinin fotokatalitik verimliliği bant aralığı, yüzey alanı, partikül boyu, kristal yapısı gibi bir çok faktöre bağlıdır. Son yıllarda fotokatalitik aktivitenin verimliliğini arttırmak için çok fazla çaba harcanmıştır. Oluşan yüklerin tekrar biraraya gelmesi, TiO2 malzemesinin düşük fotokatalitik verimliliğine sebep olan en önemli ikincil reaksiyonlardır. Kristal yapıdaki kusurlar ve safsızlıklar genellikle yüklerin tekrar bir araya geldiği bölgelerdir ve partikül boyutunun büyük olması da yüklerin bir araya gelme olasılığını arttırdığı için verimliliğin düşmesinde payı vardır. TiO2 malzemenin fotokatalitik performansı partikül boyutunu azaltarak veya yüzey alanın artırarak geliştirilebilir. Genel olarak daha iyi fotokatalitik aktiviteye ulaşmak için, tamamen birbirinden ayrılmış ince partikül olarak sentezleme ve cam, seramik veya tekstil malzemelerin yüzeyinde ince film olarak sentezleme yöntemlerinin her ikisi de uygulanabilir.Bu çalışma ile sol-gel metodu kullanılarak elde edilen koloidal yapıdaki çözeltiye daldırarak kaplama yöntemi kullanılarak camların üzerine gözenekli yapıda ve tamamen yüzeye yayılmış TiO2 ince filmler oluşturulmuştur. Esherichia coli bakterilerinin üç boyutlu şablon şeklinde kullanılması ile ince filmlerin yüzey gözenekliliği ve morfolojisi geliştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda sol-gel metodu kullanılarak hazırlanan TiO2 çözeltisi E. coli bakteri kültürü ile tamamen karıştırılmış ve ön temizleme işleminden geçirilen cam altlıklar, elde edilen bu çözeltiye daldırarak kaplama yöntemi yardımıyla kaplanmıştır. Örneklerin fotokatalitik etkinliği metilen mavisinin bozunma reaksiyonu ile test edilmiştir. Yüzey yapısını karakterize etmek için yüzeyin saf su ile yaptığı temas açısı ölçümleri, bant aralığı ölçümleri, yüzey alanı ölçümleri, AFM ve SEM analizleri yapılmıştır. Örneklerin 2-5o aralığında bulunan temas açısı ölçümleri filmlerin süper susever olduğunu göstermektedir ve bu özellikleri ile de filmler yüzeyde buharlaşmanın istenmediği alanlarda uygulama alanı bulabilirler. Örneklerin karşılaştırmalı yüzey alanı Langmuir soğurma izotermisi kullanılarak metilen mavisinin soğurganlık ölçümü ile hesaplanmıştır. Katalizlerin yüzey alanının E. coli konsantrasyonu ile orantılı olarak arttığı bulunmuştur ve hazırlanan örnekler arasında 1.71 oranında E. coli içeren filmin yüzey alanının en fazla olduğu gözlemlenmiştir (19.69 cm2/cm2). Ancak, en yüksek bozunma değeri 0.83 oranında TiO2 ve 1 oranında E. coli içeren ince filmlerde gözlemlenmiştir. Bu filmlerin verimliliği saf TiO2 ile kaplanan filmlerden 6 kat fazla iken aynı oranda E. coli eklenmesi ile elde edilen örneklerin yüzey alanı da 3.5 kat fazladır. Bu durum saydamlık ve yansıma gibi diğer fotokatalitik yüzey parametrelerinin önemini göstermektedir.

Transition metaloxide semiconductor, such as TiO2, SnO2, and ZnO have taken more attention as multifunctional materials with their unique physical and chemical properties. TiO2 photocatalysts with anatase structure generate strong oxidizing power under UV irradition which corresponds to lower wavelength than its edge energy (385 nm) as a result of charge separation. The photocatalytic efficiency of many synthetically produced TiO2 samples depend on many factors such as band gap, surface area, particle size, crystallinity etc. In recent years, much effort has been devoted to increase the photocatalytic efficiency of TiO2 materials. Charge recombination is the major side reaction which limits the photocatalytic efficiency of TiO2 materials. The crystal defects and impurities are usually attributed as charge recombination centers and larger particle size contributes to the loss of efficiency by increasing the charge recombination probability. The photocatalytic performance of TiO2 materials might be improved by reducing the particle size or by increasing the porosity. In general, both methods have been applied to achieve higher photocatalytic activity by synthesizing powders of highly dispersed fine particles and the thin films over the structural substrates such as glass panels, ceramic plates or textiles.In the present study, porous and dispersed TiO2 thin films were obtained over the Pyrex glass substrates by dip coating from a colloidal solution which was obtained by sol-gel method. The porosity and surface morphology of the thin films were modified by utilizing Esherichia coli as 3D templates. For this purpose, the colloidal solution of TiO2 synthesized by sol-gel method is properly mixed with the E. coli culture and the precleaned glass substrates were coated by using dip-coating technique. The photocatalytic activities of the samples were measured against methylene blue degradation. Contact angle, band gap, surface area measurement and AFM, SEM were employed to characterize the coated samples. The contact angle of the samples between 2-5o indicated the superhydrophilic structure which is necessary for antifogging applications. The relative surface area of the samples as measured by evaluating the methylene blue adsorption data with Langmuir adsorption isotherm. It was found that, the surface area of the catalysts increased proportionally with the addition of E. coli and the highest relative surface area was observed for the film with the 1.71 ratio of E. coli content as 19.69 cm2/cm2. The highest decomposition rate was achieved for the film with the composition of 0.83 : 1 for TiO2 and E. coli, respectively which yields 6 times higher activity than the pure TiO2 surface. However, the surface area of the samples enhanced by 3.5 times with the addition of E. coli in the same proportion. This indicates the importantce of other photocatalytic surface parameters such as reflection, transparency, etc.