Les lacunes en oxygène ont induit un rétrécissement de la bande interdite pour une visibilité efficace

Jan 26, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14105 (2023) Citer cet article

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La bande interdite du rutile TiO2 a été réduite, via la formation de lacunes d'oxygène (OV) lors du traitement thermique dans de la poudre de carbone (cHT) avec inclusion de revêtements de TiO2. La bande interdite réduite améliore efficacement la réponse à la lumière visible des revêtements TiO2, afin d'améliorer encore l'activité photocatalytique induite par la lumière visible. Le changement des OV au cours du cHT a été étudié par manipulation de la température et du temps du cHT. L'effet des OV sur la structure de bande du TiO2-x non stœchiométrique a été calculé en outre par des calculs de principes premiers. Avec l'augmentation de la température, les images SEM montrent que la structure fibreuse de taille nanométrique se forme à la surface des revêtements de TiO2, et que la quantité de structure fibreuse augmente considérablement et que leur taille passe de nano à micro sous 800 °C, contribuant ainsi provoquer une augmentation de la surface accessible. Les résultats UV – Vis révèlent que la bande interdite du TiO2 a été réduite pendant le cHT, en raison des lacunes en oxygène formées. Les résultats XPS confirment en outre que la formation de défauts de surface, y compris les OV, et le profil de profondeur XPS montrent en outre une quantité relative réduite d'O alors qu'une quantité relative accrue de carbone. Notamment, après cHT pour les revêtements TiO2, l'activité photocatalytique augmente d'abord puis diminue avec l'augmentation de la température, atteignant environ 3 fois à 850 °C. Le calcul des premiers principes suggère que les OV dans les revêtements TiO2 avec des électrons localisés pourraient faciliter le rétrécissement de la bande interdite, favorisant ainsi l'amélioration de l'activité photocatalytique sous la lumière visible.

Face à ces problèmes urgents de pollution environnementale et de crise énergétique, l’utilisation de ressources renouvelables pour développer des technologies d’énergies renouvelables devient un sujet urgent qui nécessite des avancées. La photocatalyse est considérée comme un candidat ayant un grand potentiel pour atténuer et résoudre davantage ces problèmes, car elle peut décomposer efficacement les polluants organiques ou générer de l'énergie chimique via un effet photocatalytique. Le dioxyde de titane (TiO2) peut être considéré comme l'un des matériaux photocatalyseurs les plus importants, en raison de la position appropriée des bords de la bande, de sa stabilité exceptionnelle, de son faible coût et de son excellente activité photocatalytique1,2,3. Cependant, le TiO2 a été limité par sa bande interdite relativement large (~ 3,2 eV d'anatase ou ~ 3,0 eV de rutile), pour la réponse à la lumière visible4,5,6. Actuellement, d'énormes efforts ont été consacrés à l'amélioration de l'absorption de la lumière visible par le TiO2, tels que le rétrécissement de la bande interdite avec l'introduction de dopants ou de défauts (OV, Ti3+, souches de réseau) et la composition avec des photocatalyseurs ayant une bande interdite plus petite ou une meilleure réponse à la lumière visible7, 8,9,10,11,12, pour répondre davantage aux besoins des applications pratiques. En outre, de nombreux documents ont rapporté que le dopage de non-métaux tels que l'azote, le soufre ou le carbone dans le réseau TiO2 peut étendre le bord d'absorption de la région UV à la région visible, en raison de l'introduction d'états électroniques localisés dans la bande interdite13, 14,15,16.

Notamment, le dopage contrôlable des impuretés C dans le réseau TiO2 est une approche efficace pour améliorer l'activité photocatalytique, car ce C peut pénétrer dans le réseau TiO2 pour remplacer les atomes d'O ou de Ti, accompagné de la formation de liaisons Ti-C ou C-O-Ti. pour générer des orbitales hybrides au-dessus de la bande de valence du TiO2, inhibant considérablement la recombinaison due au canal de transport et à la capacité de stockage des électrons. Après Khan et al. ont rapporté les substituts de carbone pour les atomes d'oxygène du réseau dans TiO2 avec une bande interdite inférieure d'environ 2,32 eV en 200217, de nombreux chercheurs ont successivement prouvé que le TiO2 dopé au C est une stratégie efficace pour réduire la bande interdite et générer des défauts de surface tels que les OV, pour davantage améliorer l'activité photocatalytique induite par la lumière visible18,19,20,21,22.

Outre le dopage, la photocatalyse induite par les OV est une autre solution efficace pour obtenir simultanément une réponse à la lumière visible et une séparation des charges, afin de servir de site actif pour l'adsorption et la dissociation ultérieure des molécules contenant de l'O. En 2000, Nakamura et al. ont étudié le rôle des OV dans le photocatalyseur TiO2 qui se situent entre la valence et les bandes de conduction, pour la réponse à la lumière visible23, puis Schaub et al. ont découvert le mécanisme de diffusion des OV sur le rutile TiO2 en 200224. Wendt et al. ont rapporté que les OV pourraient favoriser de manière significative la séparation des charges, par le piégeage des trous induit25. Du point de vue de l'analyse de la structure électronique, on pense généralement que les OV peuvent améliorer la structure électronique des semi-conducteurs à oxyde métallique en introduisant certains types d'états de défaut (tels que Ti3+, défaut ponctuel) en dessous de la bande de conduction et en réduisant la bande interdite pour une meilleure visibilité. -réponse lumineuse26,27. Plus important encore, la quantité de OV joue un rôle clé dans la réponse à la lumière visible et dans l’amélioration de l’activité photocatalytique du TiO2 à partir de mesures expérimentales et de calculs théoriques28,29,30,31.