TiO2 nanotubes for photocatalytic degradation of methylene blue

Abstract

Titanium dioxide remains one of the most studied semiconductor for photocatalytic applications due to its low cost production, reduced toxicity, ability to break down the organic pollutants and possibility to achieve complete mineralization. In this work, we report on results of the photocatalytic activity of titanium dioxide nanotubes fabricated by electrochemical anodization technique in an electrolyte solution containing a mixture of hydrofluoric acid, ethylene glycol and phosphoric acid. The morphology and crystallinity of the obtained nanotubes were investigated by means of electron microscopy and it was found that nanotubes have a constant outer diameter of 200 nm and an internal conical shape where the diameter gradually decreases from 120 nm at the wide end to 50 nm at the narrow end. The transmission electron microscopy investigation defined two different phases of titanium dioxide obtained after annealing of amorphous TiO2 in air at 650 °C and 850 °C. Photocatalytic activity of the samples have been evaluated in methylene blue solution in the presence of dispersed nanotubes under visible and UV irradiation by means of UV/Vis spectroscopy. Anatase phase TiO2 shows the best performance degrading 85 % of dye in 25 min under UV illumination, while rutile phase with anatase inclusions shows the best results with a 50 % decay of dye concentration in 25 min under visible light illumination.

Oxidul de titan rămâne unul dintre cei mai studiați semiconductori pentru aplicații fotocatalitice datorită prețului mic de producere, toxicitatea redusă, abilitatea de a descompune compușii organici și posibilitatea de a obține o mineralizare completă. În această lucrare sunt raportate rezultatele activității fotocatalitice a nanotuburilor din oxid de titan (TiO2) obținute prin tehnica anodizării electrochimice într-o soluție compusă din acid fluorhidric, etilenglicol și acid ortofosforic. Morfologia și cristalinitatea nanotuburilor obținute a fost investigată folosind microscopia electronică și s-a demonstrat că nanotuburile au un diametru extern constant de 200 nm, iar structura internă are formă conică cu diametrul ce variază de la 120 nm în capătul larg la 50 nm în capătul mai îngust. Investigațiile utilizând microscopia electronică prin transmisie a demonstrat prezența a două faze cristaline pentru probele din oxid de titan după tratamentul termic al materialului amorf la temperaturile de 650 °C și 850 °C. Activitatea fotocatalitică a probelor a fost evaluată prin spectroscopia UV/Vis în soluție ce conține Albastru de Metilen (MB) și nanotuburi de TiO2 dispersate în soluție sub influența luminii vizibile și UV. Faza anatas a TiO2 a demonstrat o eficiență sporită degradând circa 85 % din colorant în 25 minute sub iradierea cu UV, în timp ce faza rutil cu incluziuni de anatas a demonstrat cel mai bun rezultat la iradierea cu lumină vizibilă degradând circa 50 % din colorant în 25 minute.