Легкое термическое разложение загрузки CeO₂ наночастиц на анодные TiO₂ нанотрубчатые массивы

Аннотация

В исследовании представлен простой, дешевый метод декорирования анодных TiO₂ нанотрубчатых (NT) массивов оксидом церия (CeO₂) наночастицами (NP). Используя TiO₂ NT как нано-контейнеры, разбавленный раствор Ce(NO₃)₃ вводили в трубки, за которым следовал 450 °C отжиг, термически разлагающий предшественник в кристаллические кубические CeO₂ NP. Рентгеновская дифракция (XRD), сканирующая электронная микроскопия (SEM), Рамановская спектроскопия и энергодисперсная рентгеновская спектроскопия (EDS) подтверждают образование хорошо-упорядоченной CeO₂/TiO₂ гетероструктуры. Полученный композит предлагает усиленную фотокаталитическую активность и перспективен для экологической ремедиации и энергетических применений.

Введение

Диоксид титана, особенно его анататная полиморфа, остается эталонным фотокатализатором благодаря широкой запрещенной зоне (~3,2 эВ), химической стабильности и нетоксичной природе. Однако быстрая рекомбинация фотосгенерированных электроны-дырки пар ограничивает практическую эффективность. Загрузка TiO₂ более узкой-полосным полупроводником, таким как кубический CeO₂ (запрещенная зона ~2,92 эВ), может создать гетероструктуру, облегчающую зарядовое разделение, усиливающую радикальное производство и улучшающую фотокаталитическое деградацию органических загрязнителей и газосенсорную производительность.

Конвенциональные синтетические маршруты (соль-гель, гидротермальный) часто производят CeO₂/TiO₂ порошки со сложными процедурами. Напротив, наш метод напрямую депонирует CeO₂ на самоорганизованные TiO₂ NT массивы, упрощая фабрикацию при обеспечении интимного контакта между двумя фазами.

Экспериментальная секция

Синтез TiO₂ нанотрубчатых массивов

Коммерческие Ti листы (5 × 1,5 см) ультразвуково очищали, затем анодировали в гликольном электролите (10 мл H₂O, 1,66 г NH₄F) при 60 В за 2 ч. Полученные аморфные TiO₂ пленки отжигали при 450 °C за 3 ч для получения плотных анататных NT с ~110 нм диаметром.

Загрузка Ce(NO₃)₃ и формирование CeO₂/TiO₂ гетероструктур

Каждую TiO₂ NT пленку кратко погружали (3 с) в растворы Ce(NO₃)₃ варьирующей концентрации (0,05–1 моль/л). Излишки раствора удаляли фильтрацией и легким наклоном для равномерного заполнения. Пленки затем сушили при 70 °C за 1 ч, затем отжигали при 450 °C за 2 ч для термического разложения Ce(NO₃)₃ в CeO₂ NP внутри нанотрубчатых стенок.

Характеристика

• Кристаллические фазы: XRD (D/max 2400 X Series).
• Морфология: SEM (JSM-7000F, JEOL).
• Элементное маппирование: EDS.
• Вибрационный анализ: Раман (inVia, Renishaw).

Результаты и обсуждение

Кристалличность

XRD паттерны раскрывают анатат TiO₂ пики (напр., 25,28°, 36,80°) вместе с кубическими CeO₂ рефлексиями (111 при 28,55°, 200 при 33,08°). Увеличение концентрации Ce(NO₃)₃ усиливает интенсивность CeO₂ пиков, подтверждая успешную вкорпорирование.

Поверхностная морфология

SEM изображения показывают плотно упакованные, открытые TiO₂ NT (~110 нм диаметр). После загрузки CeO₂ NP декорируют устья трубок и внутренние стенки, с плотностью частиц, растущей с концентрацией предшественника. Толщина нанотрубчатых стенок также слегка растет из-за NP депонирования.

Элементный состав

EDS спектры для первозданных TiO₂ NT показывают только Ti и O. После загрузки (0,1 моль/л Ce(NO₃)₃) Ce детектируется (~12 ат.%), подтверждая успешную NP депонирование.

Рамановская спектроскопия

Характерные анатат пики при ~400, 530 и 645 см⁻¹ сохраняются, в то время как новый пик при ~460 см⁻¹ появляется, атрибутируемый кубическому CeO₂. Это подтверждает двухфазную структуру.

Механизм

Термическое разложение Ce(NO₃)₃ внутри TiO₂ NT следует:

Ce(NO₃)₃·6H₂O → Ce(NO₃)₃ + 6H₂O
Ce(NO₃)₃ → CeO₂ + NO↑ + O₂↑

Таким образом, CeO₂ NP формируются in situ, плотно приязанные к TiO₂ стенкам.

Потенциальные применения

За счет смягчения зарядовой рекомбинации и усиления поверхностной адсорбции, CeO₂/TiO₂ гетероструктуры демонстрируют улучшенную фотокаталитическую деградацию загрязнителей, потенциал для водородного выделения и низкотемпературное кислородное сенсирование.

Заключение

Продемонстрирован простой, масштабируемый путь производства CeO₂/TiO₂ гетероструктурных пленок заполнением анодных TiO₂ NT массивов Ce(NO₃)₃ и термическим разложением предшественника. Полученные пленки сочетают высокую площадь TiO₂ NT с благоприятными электронными свойствами CeO₂, предлагая перспективную платформу для энергетических и экологических технологий.

Аббревиатуры

• EDS – Энергодисперсная спектрометрия
• NT – Нанотрубка
• SEM – Сканирующая электронная микроскопия
• XRD – Рентгеновская дифракция