A study of photoprocesses in Au/TiO2 heterostructures

Abstract

Целью работы являлось изучение фотоэлектрохимических процессов в гетероструктурах Au/TiO2. Для достижения поставленной цели были синтезированы образцы с различной структурой: гетероструктуры, из пленки диоксида титана (в некоторых образцах с добавлением алюминия) и наночастиц изолированного и открытого золота и проведена их физико-химическая характеризация, исследование вольт-амперных характеристик и спектральной зависимости фототока. По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы 1.Получены золотые наночастицы размерами 20-40 нм в водных и спиртовых растворах проявляющие эффект поверхностно локализованного плазмонного резонанса. Получены частицы с структурой core-shell где ядром являются золотые наночастицы, а оболочкой диоксид кремния толщиной 10 нм. 2.Созданые электроды с гетероструктурой, из пленки диоксида титана (в некоторых образцах с добавлением алюминия) и наночастиц изолированного и открытого золота. 3.Проведена их физико-химическая характеризация методами рентгеновской дифракции, рентген флуорисцентной спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, спектроскопии диффузного отражения. 4.Получены вольт-амперные характеристики и on-off зависимости при фотовозбуждении в различных спектральных областях для созданных образцов, проведено их сравнение. 5.Получены спектральные зависимости эффективности созданных образцов. Показано что фотоактивность при облучении видимым светом убывает в ряду TiO2Al>TiO2Al+Au>TiO2>TiO2+Au>TiO2core>TiO2Alcore. 6.Линейные зависимости фототока от интенсивности свидетельствуют об однофотонной генерации носителей заряда 7.Полученные данные не позволяют сделать предположение о механизмах влияния поверхностно локализованного плазмонного резонанса в гетероструктурах Au-TiO2. Предложены варианты причин этого и способы их решения.

This study is devoted to the exploration of the photoelectrochemical processes in heterostructure Au/TiO 2 . To achieve the goal of the study the following samples with different structures were synthesized: heterostructures based on titania and aluminum-doped titania with isolated and open gold nanoparticles. The samples were characterized with different physical-chemical methods. The studies of their current-voltage behavior and spectral dependencies of their photactivities were performed. The results of the study lead to the following conclusions: 1. The gold nanoparticles with particle size 20 – 40 nm were successfully synthesized and it was shown that they demonstrate the effect of the localized surface Plasmon resonance in aqua and alcohol solutions. Core-shell heterostructures with gold as a core and SiO 2 as a shell (10 nm thickness) were successfully formed. 2. The heterostructured electrodes based on titania and aluminum-doped titania with isolated and open gold nanoparticles were successfully prepared. 3. Physical-chemical characterization of the electrode materials were performed by means of XRD, XPL, SEM and DRS methods. 4. The cycling voltage-current and stationary on-off dependences were measured for photoexcitation at different spectral ranges and the obtained results were analysed and compared. 5. The dependencies of photocurrent on light intensities were measured for photoexcitation at different spectral ranges and it was concluded that the linear character of the dependencies infers that the photocurrent is generated by one-photon photoexcitation mechanism. 6. The spectral dependencies of photocurrent efficiency were measured for all synthesized samples. It was concluded that the activity of the samples is decayed in the sample set as TiO 2 Al > TiO 2 Al+Au > TiO > TiO2+Au > TiO 2 core > TiO 2 Alcore. 7. The analysis of the experimental results does not let to make a conclusion about the mechanism of the effect of localized surface plasmon resonance on the photoactivity of electrode materials. The alternative structure of electrodes with gold nanoparticles has been proposed.