The effect of metal doping on TiO2 for photocatalytic applications

Abstract

Recently, the photocatalysis method has been an active research area as a promising solution for environmental cleaning method, leading to self-cleaning and sterilization of solar cell surfaces to produce water dissociation reaction. Titanium dioxide (TiO2) is the most suitable semiconductor for photocatalytic applications due to its high oxidation potential and high efficiency when irradiated by ultraviolet light (UV). Undoped and Ruthenium (Ru+) doped TiO2 thin films were prepared using magnetron sputtering technique. All thin films were grown on SLG different ratios like 1 sec, 3 secs, 5 secs and 7 secs to set shutter position in magnetron sputter target. Transparent substrate SLG is coated with nearly 50 nm TiO2 thin films without compromising any optical properties. Samples were heat treated for two hours at 500°C to get the anatase phase crystal structure. The crystallization peaks of TiO2 are proved to get the anatase phase. Photocatalytic activity of TiO2 thin films are determined after 1, 3, 5 and 24 hours with organic pollution as a methylene blue dye degradation under UV light. The degradation of methylene blue was investigated kinetically and photocatalytic activity rate constants of the photocatalysts were calculated. All thin films could not reach super hydrophilicity state. Undoped TiO2 contact angle 47.309o and Ru doped TiO2 63.218o were evaluated. The photocatalytic degradation percentage of Methylene Blue was reached 87%, after 24 hours of UV irradiation, when using Ru-doped TiO2 thin film. Consequently, the anatase phase of Ru-doped TiO2 thin films are found best photocatalytic activity in self-cleaning performance.

Son yıllarda, çevresel temizleme yöntemleri arasında umut verici bir çözüm olarak aktif bir araştırma alanına sahip olan fotokataliz yöntemi, suyun ayrışma mekanizmasını kullanarak güneş panellerinin üst yüzeylerinin kendi kendini temizlemesini sağlamada kullanılan bir uygulamadır. Titanyum dioksit (TiO2), ultraviyole ışık (UV) ile uyarıldığında yüksek verimliliği ve oksidasyon potansiyeli nedeniyle fotokatalitik uygulamalar için en uygun yarı iletkendir. Fotokatalitik aktiviteyi iyileştirmek için farklı oranlarda Rutenyum (Ru+) metal iyonları TiO2 ince film içerisine katkılandı. TiO2 ince filmler mıknatıssal saçtırma yöntemi kullanılarak hazırlandı. Mıknatıssal saçtırma kaynağı üzerindeki kapağın pozisyonu ayarlanarak Ru+ iyonları 1, 3, 5 ve 7 saniye boyunca TiO2 ince film içerisine katkılandırıldı. Yaklaşık 50 nm kalınlığında ince filmler, optik özelliklerini kaybetmeden SLG üzerine kaplandı. Tüm numuneler her kaplama sonrası anataz kristal fazını elde edebilmek için iki saat boyunca 500 oC’de ısıl işleme tabi tutuldu. TiO2'nin 1 ve 7 saniye Ru+ katkılandırılan ince filmleri kristal pikleri anataz fazının elde edildiğini gösterdi. TiO2 ince filmlerin fotokatalitik aktivitesi, organik kirlilik olarak metilen mavisi boyasının UV ışık altında 1, 3, 5 ve 24. saat sonunda bozunması incelenerek saptandı. Metilen mavisi çözeltisinin fotokatalitik aktivite sonucu bozunması kinetik olarak incelenip ve fotokatalitik aktivite oranları hesaplandı. TiO2 ince filmler süperhidroflik duruma ulaşamadı ancak katılanmamış TiO2 ince filmin temas açısı 47.309o ve Ru katkılı TiO2 ince filmin temas açısı 63.218o olarak hesaplandı. TiO2 ince film numunelerinin Metilen Mavisi çözeltisi içerisinde fotokatalitik olarak bozunma yüzdesi, 24 saatlik UV ışınlamasından sonra, %87'ye ulaştı. Sonuç olarak, Ru+ katkılı TiO2 ince filmlerin anataz fazı, kendi kendini temizleme performansında en iyi fotokatalitik aktiviteye sahip olduğu ispatlandı.