Photokatalytische Reaktionen an nanokristallinen Titanoxid-Oberflächen: In situ-Untersuchung mit Sekundärionen-Massenspektrometrie
Final Report Abstract
In dem Vorhaben wurde das photokatalytische Verhalten nanokristalliner Titandioxid- Schichten untersucht. Ergänzend wurden die strukturellen und elektronischen Eigenschaften dieser Schichten bestimmt Aus nanokristallinen Ti02-Partikel mit einer nominellen Kristallitgröße von 12 nm bis 30 nm wurden unter Verwendung eines organischen Lösemittels Suspensionen hergestellt, die als düime Schichten auf Siliziümsubstrate aufgebracht wurden. Damit konnten stöchiometrische Schichten aus nanokristallinem Ti02 mit einer Dicke zwischen -600 nm und einigen ^m hergestellt werden. Für die Untersuchungen der Schichtstruktur wurden diese Proben bei unterschiedlichen Temperaturen und für verschiedene Zeitdauern kalziniert. Unter Verwendung der Röntgenbeugung (XRD) und der Ramanspektroskopie wurde die kristalline Struktur der kalzinierten Schichten bestimmt. Dabei kormte ein Phasenübergang von Anatas zu Rutil im Temperaturbereich von 1220-1320 K beobachtet werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Geschwindigkeit und Temperatur der Phasenumwandlung sowohl von der anfanglichen Kristallitgröße als auch von der Existenz bereits vorhandener Rutil-Keime abhängt. Größere Kristallite und das Vorhandensein von kleineren Mengen an Rutil führten im Allgemeinen zu niedrigeren Umwandlungstemperaturen. Durch Zugabe von organischen Verbindungen (entweder Methylenblau oder 4-Chlorphenol) zu den hergestellten Schichten v/urden weiterhin deren photokatalytische Eigenschaften untersucht. Hierbei wurden die so dotierten Proben vor und nach der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) untersucht. Die UV-Bestrahlung wurde an den Proben sowohl an Luft als auch in-situ im Ultrahochvakuum (UHV) des Flugzeit-Sekundärionen- Massenspektrometers (ToF-SIMS) durchgeführt. Es konnten charakteristische Massensignale der Ausgangsstoffe und Bruchstücke bei den unbehandelten Proben nachgewiesen werden. Nach Bestrahlung an Luft hat sich die Schichtzusammensetzung deutlich verändert. Diese Änderung wurde katalytischen Reaktionen zugeschrieben, die durch UV-Photonen hervorgerufen wurden: Das Signal der Ausgangsmoleküle wird stark reduziert, wohingegen deren Bruchstücke weiterhin auf den Ti02-0berflächen nachgewiesen werden können. Dabei scheint die Anwesenheit von atmosphärischen Bestandteilen (z.B., H2O) die Effizienz der Reaktionen deutlich zu erhöhen. ' Die elektronische Struktur der nanokristallinen Ti02-Filme wurde mittels RÖntgen- Photoelektronen-Spektroskopie (XPS), UV-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronen-Spektroskopie (IPE) untersucht. Neben unbehandelten Schichten wurden auch Proben untersucht, an denen durch Ausheizen im Vakuum oder durch lonenbeschuss Defekte erzeugt worden sind. Hierbei konnten nach einem Ausheizen bei 720 K keine Veränderungen in den XPS- und UPS-Spektren im Vergleich zu den unbehandelten Proben nachgewiesen werden - ein Hinweis darauf, dass die Zahl der entstandenen Defekte unterhalb der Detektionsgrenze dieser Methoden liegt. Durch Kombination der Ergebnisse aus UPS- und IPE-Untersuchungen kormte die Bandlücke quantitativ im Energiespektrum nachgewiesen werden.
Publications
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Phase transformation and particle growth in nanocrystalline anatase TiOz films analyzed by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. A. Orendorz, A. Brodyanski, J. Lösch, L.H. Bai, Z.H. Chen, Y.K. Le, C. Ziegler, H. Gnaser, Surf. Sei. 601, 4390 (2007).
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Structural investigation of pristine and annealed nanocrystalline TiOi thin films by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. A. Orendorz, A. Brodyanski, J. Lösch, L.H. Bai, Z.H. Chen, Y.K. Le, C. Ziegler, H. Gnaser, Phys. Stat. Sol. (c) 4, 1822 (2007).
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Structural transformations in nanocrystalline anatase Ti02 films upon annealing in air. A. Orendorz, A. Brodyanski, J. Lösch, L.H. Bai, Z.H. Chen, Y.K. Le, C. Ziegler, H. Gnaser, Surf. Sei. 600, 4347 (2006).
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TOF-SIMS study of photocatalytic decomposition reactions on nanocrystalline^ Ti02 films. H. Gnaser, A. Orendorz, C. Ziegler, E. Rowlett, W. Bock, Appl. Surf. Sei. 252' 6996 (2006). 1
