Investigation of the spectroelectrochemical properties of TiO2 black nanotubes

Zsyntetyzowano anodowy tlenek tytanu(IV) w formie krystalicznej anatazu, który następnie poddano próbom elektrochemicznej i chemicznej redukcji. Udało się uzyskać czarne nanorurki TiO2 używając elektrochemicznej redukcji, jednak charakteryzowały się one małą stabilnością, którą wydłużono do paru godzin, odcinając je od wpływu tlenu atmosferycznego. Przeprowadzono pomiary spektroelektrochemiczne w których scharakteryzowano poziomy energetyczne stanów defektowych Ti3+ w przerwie wzbronionej. Wyznaczono rząd zachodzącej reakcji redukcji (0) indukowanej polaryzacją oraz samorzutnej reakcji odwrotnej (II). W trakcie naświetlania symulowanym światłem słonecznym czarne nanorurki wykazywały mniejsze gęstości fotoprądu od niemodyfikowanego TiO2, jednak charakteryzują się wolniejszą rekombinacją elektron-dziura oraz lepszą separacją ładunków. Dodatkowo wyznaczono krawędź pasma przewodnictwa oraz poziom energetyczny odpowiedzialny za pułapkowanie elektronów z pasma walencyjnego podczas redukcji nanorurek TiO2. Prezentowane w pracy metody mogą służyć do stosunkowo łatwego określania właściwości materiałów elektrochromowych, czyli zmieniających kolor przechodząc przez odwracalną reakcję elektrochemiczną.Anodic titanium(IV) oxide was synthesised in the crystalline form of anatase, which was then subjected to electrochemical and chemical reduction tests. It was possible to obtain black TiO2 nanotubes using electrochemical reduction, but they were characterised by low stability, which was extended to a few hours by isolating them from the influence of atmospheric oxygen. Spectroelectrochemical measurements were carried out in which the energy levels of Ti3+ defect states in the band gap were characterised. The orders of the occurring polarization-induced reduction reaction (0) and the spontaneous reverse reaction (II) were determined. Upon irradiation with simulated sunlight, the black nanotubes exhibited lower photocurrent densities than unmodified TiO2, but they are characterised by slower electron-hole recombination and better charge separation. In addition, the conduction band edge and the energy level, responsible for trapping electrons from the valence band, during the reduction of TiO2 nanotubes, were determined. The methods presented in this paper can be used to relatively easily determine the properties of electrochromic materials, i.e. materials that change colour by undergoing a reversible electrochemical reaction