TiO2-organic superlattice structures
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
54
Series
Abstract
Titanium dioxide (TiO2) can be used as a photocatalyst for applications such as disinfection and water splitting. The main limitation is that TiO2 has low absorbance for visible light and generally requires UV radiation, which only comprises a small part of the solar radiation. Increasing the visible light absorbance of TiO2 would significantly improve the efficiency of photocatalysis. One method of increasing the visible light absorbance of TiO2 is adding organic components to the structure. Atomic/molecular layer deposition (ALD/MLD) combines inorganic and organic components in a highly controllable manner. Therefore, creating TiO2‒organic superlattice structures with ALD/MLD could increase the visible light absorbance. In this work, superlattice structures were created with TiO2 and four different organic precursors: hydroquinone (HQ), 1,4-diaminobenzene (DAB), 2-aminoterephthalic acid (A-TPA), and terephthalic acid (TPA). The samples were deposited on silicon and glass, in 220 °C, with 3‒56 organic cycles in 1000 or 2000 total cycles. The samples were analyzed with x-ray reflection (XRR), Fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR), grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD), and UV‒Visible spectrophotometry to investigate their structure and absorbance. In addition, some mechanical testing was done. Based on the results, the intended superlattice structures were successfully fabricated. The bonding mode of A-TPA and TPA with TiO2 was bidentate. Crystallinity depended on the number of organic layers, with higher number of organic layers leading to amorphous samples. The effects of organic components on absorbance were varying but mostly negative. The HQ samples generally had the highest absorbance, while A-TPA had consistently higher absorbance than TPA. Adding organic layers also increased the mechanical flexibility of the samples. While HQ‒TiO2 superlattices had previously been made, DAB, A-TPA and TPA had never been used in ALD/MLD with TiO2 before. This work provides basic data on these new structures and opens up opportunities for further research.Titaanidioksidia (TiO2) voidaan käyttää fotokatalyyttina sovelluksissa kuten desinfioinnissa ja veden hajottamisessa. Tärkein rajoite on, että TiO2:lla on matala näkyvän valon absorbanssi, joten se yleensä vaatii UV-säteilyä, joka muodostaa vain pienen osan auringon säteilystä. TiO2:n näkyvän valon absorbanssin kasvattaminen tehostaisi fotokatalyysia huomattavasti. Eräs tapa kasvattaa TiO2:n näkyvän valon absorbanssia on orgaanisten komponenttien lisääminen rakenteeseen. Atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) yhdistää epäorgaanisia ja orgaanisia komponentteja hyvin tarkasti hallittavalla tavalla. Täten TiO2‒orgaanisten superhilarakenteiden luominen ALD/MLD:llä voisi lisätä näkyvän valon absorbanssia. Tässä työssä luotiin superhilarakenteita käyttäen TiO2:a ja neljää eri orgaanista lähtöainetta: hydrokinoni (HQ), 1,4-diaminobentseeni (DAB), 2-aminotereftaalihappo (A-TPA) ja tereftaalihappo (TPA). Näytteet päällystettiin piin ja lasin pinnalle 220 °C lämpötilassa, ja niissä oli 3‒56 orgaanista sykliä yhteensä 1000 tai 2000 syklistä. Näytteet analysoitiin röntgenheijastuksella (XRR), Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopialla (FTIR), hipovan osumisen röntgendiffraktiolla (GIXRD) sekä UV- ja näkyvän valon spektrofotometrialla. Lisäksi tehtiin mekaanista testausta. Tuloksista päätellen halutut superhilarakenteet luotiin onnistuneesti. A-TPA:n ja TPA:n sitoutuminen TiO2:n kanssa oli kaksihampaista. Kiteisyys riippui orgaanisten kerrosten määrästä, ja suurempi määrä orgaanisia kerroksia johti amorfisiin näytteisiin. Orgaanisten komponenttien vaikutus absorbanssiin oli vaihteleva mutta enimmäkseen negatiivinen. HQ-näytteillä oli yleisesti korkein absorbanssi, ja A-TPA:lla oli konsistentisti korkeampi absorbanssi kuin TPA:lla. Orgaanisten kerrosten lisääminen lisäsi myös näytteiden mekaanista joustavuutta. HQ‒TiO2-superhiloja oli tehty aikaisemmin, mutta DAB:tä, A-TPA:ta ja TPA:ta ei ollut käytetty ALD/MLD:ssä TiO2:n kanssa koskaan ennen. Tämä työ tarjoaa perusdataa näistä uusista rakenteista ja avaa mahdollisuuksia tulevalle tutkimukselle.Description
Supervisor
Karppinen, MaaritThesis advisor
Philip, AnishGhiyasi, Ramin
Keywords
TiO2, ALD/MLD, superlattices, photocatalysis, absorbance