Phase transitions and photoelectrocatalytic characterisation of nanocrystalline TiO2 and WO3 thin films

Abstract

Dünne, transparente TiO2 und WO3 Schichten zeigen eine photokatalytische Aktivität im Abbau von Wasser-Schadstoffen und stellen eine vielversprechende Alternative für ein weites Anwendungsgebiet dar.<br />Durch die Immobilisierung von TiO2- und WO3-Beschichtungen auf einem Glas-Träger kann die Abtrennung und der Verlust von Katalysator-Material verhindert werden.<br />In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Oxid-Schichten durch Spin-Coating auf Glas- oder Quarzglas-Träger (Schichtdicke 30 - 1000 nm) hergestellt und ihre photokatalytische Aktivität beim Abbau von unterschiedlichen Schadstoffen (Modellabwässer), wie Oxalsäure und Methylenblau, unter Bestrahlung mit Sonnenlicht und künstlichem Licht untersucht.<br />Das Problem der Bestimmung von amorphen Phasen auf amorphen Trägern durch XRD wurde durch die Ermittlung des kristallinen Anteiles nach Tempern auf unterschiedlichen Temperaturen gelöst. Es konnte gezeigt werden, daß auch bei starkem Tempern und nach unterschiedlichen Phasenumwandlungen noch amorphe Anteile in den Beschichtungen verbleiben.<br />Die Optimierung der Schichtdicke stellt einen wichtigen Faktor bei der Herstellung der Oxid-Beschichtungen dar. Der Katalysator sollte einerseits dick genug sein, um das einfallende Licht vollständig zu absorbieren, andererseits aber sollte er dünn genug sein, um den gesamten Katalysator durch den Glasträger hindurch zu bestrahlen. Die Bedingungen bei der Filmherstellung und die Schichtdicke haben weiters einen bedeutenden Einfluß auf die Kristallinität und beeinflussen damit die photokatalytische Aktivität.<br />Adsorptions- und Abbaueigenschaften von transparenten und transluzenten TiO2- Schichten (hergestellt in trockener bzw. feuchter Atmosphäre) mit unterschiedlicher Dicke und Hitzebehandlung wurden bestimmt.<br />Die Auswirkung einer externen Spannung auf den Katalysator wurde untersucht. Die Anregung des Katalysators mit Licht generiert Elektronen und Löcher. Die Löcher sind für die Oxidation der organischen Schadstoffe verantwortlich, entweder durch direkte Oxidation oder über Hydroxyl-Radikale, die aus der Reaktion mit adsorbiertem Wasser stammen.<br />Die Rekombination der photogenerierten Ladungsträger wurde durch Anlegen einer elektrischen Spannung unterbunden.<br />Durch die Optimierung des Massetransportes zwischen der flüssigen Phase und der Katalysatoroberfläche wurde der Abbau, verglichen mit früheren Untersuchungen, um den Faktor 7 erhöht.<br />

Thin transparent TiO2 and WO3 layers show photocatalytic activity in the decomposition of water pollutants and are promising candidates for wide-scale applications. By immobilization of TiO2 and WO3 films on a glass substrate, separation procedures and a loss of catalyst can be avoided.<br />In the present work, several oxide layers were produced via spin-coating onto glass or quartz substrates (overlayer thickness 30 to 1000 nm) and their photocatalytic activity for the decomposition of different contaminants ("model waste water") such as oxalic acid and methylene blue under sunlight and artificial-light irradiation was examined.<br />The problem of calculating amorphous phases on amorphous substrates via XRD was solved with the determination of the crystalline content after annealing with different temperatures. It was shown that even after high temperature treatment and after different phase transitions on the films had already occurred, there were still amorphous parts remaining.<br />Among other parameters, the thickness of the oxide layers is crucial.<br />The catalyst film should be thick enough to allow an effective absorption of the incident light on the one hand but, on the other hand, should still be thin enough to allow the irradiation of the whole catalyst through the glass substrate. Details of film preparation and film thickness also have a substantial influence on film crystallinity, which strongly affects the photocatalytic activity.<br />Adsorption and degradation properties of transparent and translucent TiO2 films (prepared under low and high humidity respectively) with different thickness and different calcination temperature for methylene blue were determined.<br />The effect of a low voltage applied to the catalyst was studied. The photoexcitation of the catalyst generates electrons and holes. The holes are responsible for oxidation of organic contaminants either by direct oxidation or via hydroxyl radicals produced from adsorbed water.<br />Excessive recombination of photogenerated charge carriers was prevented by application of a small electric potential.<br />With the optimisation of the mass transfer between the liquid phase and the catalyst surface, the degradation was increased by a factor of 7, compared to former experiments.