نانوميله‌هاي نانوبرگ‌دار شده دي‌اكسيد تيتانيم دوفازي به‌منظور استفاده در كاربردهاي فتوالكتروشيميايي

Two-Phase Rutile/Anatase TiO2 Nanoleafed Nanorod Arrays for Photoelectrochemical Applications

پوشش نانوميله‌هاي روتايل به‌روش هيدروترمال سنتز و سپس نانوبرگ‌هاي آناتاز روي آنها به‌شيوه محلولي رشد داده شدند. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي لايه نازك متشكل از نانوميله‌ها نشان دادند كه اين لايه يكنواخت و عاري از ترك بوده و نانوميله‌ها داراي قطر متوسط 90 نانومتر و ارتفاع 2 ميكرومتر هستند و به‌واسطه پيش جوانه‌گذاري دي‌اكسيد تيتانيم روي زيرلايه كه زبري سطحي آن را كم كرده است، داراي چگالي مطلوب و جهت‌گيري عمودي نسبت به زيرلايه هستند. تصوير لايه نازك نهايي نشان داد كه نانوبرگ‌ها به‌صورت يكنواخت روي نانوميله‌ها رشد كرده‌اند و مساحت سطح ويژه و زبري آنها را به‌طور قابل ملاحظه‌اي افزايش داده‌اند. آناليز عنصري، امكان دوپ شدن يون‌هاي كلر و فلوئور در لايه نازك دي‌اكسيد تيتانيم را نشان داد. طيف‌هاي رامان و پراش پرتوي ايكس لايه‌هاي نازك، ساختار دوفازي پوشش را تأييد كردند. آزمون پراش‌سنجي پرتوي ايكس، رشد بلوري ناهمسانگرد نانوميله‌ها (عمود بر سطح زيرلايه) را نيز تأييد كرد. طيف‌سنجي‌هاي بازتاب و عبور پخشي نور نشان دادند كه مقدار انرژي فاصله نواري براي لايه‌هاي نازك متشكل از نانوميله‌ها و نانوميله‌هاي نانوبرگ‌دار شده دي‌اكسيد تيتانيم به‌ترتيب 78/2 و 82/2 الكترون‌ولت است و ميزان به دام‌اندازي نور در پوشش نهايي بيشتر است. نانوساختار سنتز شده به‌دلايل دارا بودن مشخصه‌هاي برجسته‌اي از جمله جدايش و انتقال بهبود يافته حامل‌هاي بار (به‌علت وجود ساختار دوفازي)، مساحت سطح ويژه و ميزان به دام‌اندازي نور زياد (به‌علت وجود نانوبرگ‌ها) و انرژي فاصله نواري كم (به‌علت دوپ شدن يون‌هاي غير فلزي در ساختار) يك ماده مناسب براي جايگزيني با نانوميله‌هاي دي‌اكسيد تيتانيم متداول مورد استفاده در كاربردهاي فتوالكتروشيميايي است.

Rutile-phase titanium dioxide nanorod arrays were prepared by the hydrothermal method. Then, anatase-phase nanoleaves were successfully synthesized on the nanorod arrays via mild aqueous chemistry. Nanorod arrays scanning electron microscopy revealed that the thin film is uniform and crack free and the average diameter and height of the nanorods are 90 nm and 2 µm, respectively. Furthermore, nanorods are vertical to the substrate surface and have desired coverage density due to the predeposition of TiO2 seed layer which leaded to decrease the surface roughness of the substrate. Nanoleafed nanorods scanning electron microscopy indicated that the nanoleaves were grown uniformly on the entire surface of nanorods and the specific surface area and roughness factor of those are significantly improved. Energy dispersive spectrums suggested that F- and Cl- ions are partially doped into TiO2 crystals. Raman and X-ray spectra confirmed the formation of anatase-phase nanoleaves on the rutile-phase nanorods. X-ray diffraction also indicated that the nanorod arrays are highly oriented with respect to the substrate surface. The diffused reflectancetransmittance data revealed the incident light was more efficiently harvested by the nanoleafed nanorod thin film and the values of energy gap are 2.78 and 2.82 eV for rutile TiO2 nanorod and rutile+anatase TiO2 nanoleafed nanorod thin films, respectively. Synthesized nanostructure, having improved charge separation and transfer (due to the presence of the surface anatase/rutile junctions), high specific surface area and light harvesting (due to the presence of the nanoleaves) and low band gap energy (due to the nonmetallic elements doping), is viable alternative to traditional single crystalline TiO2 nanorods for highly efficient photoelectrochemical applications.