Elektrisk karakterisering av korngrenser i donordopa TiO2 : Studie av samanhengen mellom hydratiserte titanvakansar og fotokatalytisk aktivitet

Abstract

Den fotokatalytiske aktiviteten til TiO2 kan relaterast til defektstrukturen i materialet, fukteeigenskapane, samt hydratisering av overflatespecier. Meir spesifikt har det blitt foreslått at hydratiserte titanvakansar i overflata spelar ei viktig rolle. På bakgrunn av dette blei det i denne oppgåva valt å kartlegge defektstrukturen i keramiske prøver av Nb-dopa TiO2, gjennom elektrisk karakterisering. Kombinert med dette blei det utført ein studie av dei fotokatalytiske eigenskapane til tynnfilmar av Nb-dopa og udopa TiO2, samt effekten av UV-lys på fukteeigenskapane til dei ulike overflatene.

Defektstrukturen og leiingsevna i keramiske prøver av Nb-dopa TiO2 blei studert ved hjelp av eksperimentelle AC-impedansmålingar i temperaturintervallet 1000 – 25 °C ved ulike atmosfærar. Samansetning og strukturelle eigenskapar blei karakterisert ved XRD, SEM, TEM, XPS og ellipsometri.

Den fotokatalytiske aktiviteten til ulike prøver av TiO2 blei bestemt ved fotokatalytisk avfarging av metylenblått løyst i vatn. Det kunne observerast ein tydeleg forskjell i avfarging med og utan UV-lys, men det kunne ikkje skiljast mellom den fotokatalytiske aktiviteten til prøver av Nb-dopa og udopa TiO2. Fukteeigenskapane blei undersøkt ved måling av kontaktvinkelen mellom materialoverflata og ein vassdråpe, før og etter UV-bestråling. Dette gav store observerbare skilnadar i effekten av UV-lys på fukteeigenskapane til ulike prøver.

Impedansmålingar viste to bidrag, tileigna serielle romladningslag og korngrensekjernar i materialet. På bakgrunn av impedansmålingane er det foreslått ein defektstruktur i bulk med niob på titanplass og titanvakansar som dominerande defektar, samt elektron og proton som minoritetsdefekt. Vidare er det foreslått ein korngrensemodell for Nb-dopa TiO2, med negativt ladde korngrensekjernar kompensert av effektivt positivt ladde romladningslag. Den negative ladninga til korngrensekjernane blir tileigna ein høg konsentrasjonen av titanvakansar. På bakgrunn av ein transient endring i leiingsevna ved endring i pH2O blir det foreslått ein modell for hydratisering av korngrensene, der ein auke i pH2O resulterer i proton kompensert av titanvakansar i korngrensekjernane.