Study of the Structural and Catalytic Properties of Thermally Reduced TiO2

Tlenek tytanu(IV) to jeden z najczęściej wykorzystywanych fotokatalizatorów w reakcjach redukcji wody. Jego zaletą jest możliwość zmiany stopnia utlenienia kationów tytanu w strukturze krystalicznej z IV na III poprzez termiczną redukcję materiału w wysokich temperaturach. Taka modyfikacja powoduje zwiększenie energii Fermiego kryształu i poprawienie właściwości redukujących TiO2. W tej pracy analizie poddane zostały proszki tlenku tytanu(IV) redukowane w temperaturach w zakresie 700°C - 1100°C. Z wykorzystaniem techniki obrazowania SEM zbadano wpływ procesu redukcji na strukturę ziaren natomiast z pomocą techniki EDS zanalizowano skład chemiczny zredukowanych proszków. Na podstawie widm reflektancji w zakresie UV-Vis wyznaczono szerokości przerw wzbronionych, których wartości mieściły się w zakresie 3,06 - 3,10 eV. Badanie aktywności fotokatalitycznej polegało na analizie efektywności reakcji rozkładu wody w zawiesinie proszków TiO2 w roztworze wody i metanolu. Reakcję inicjowano światłem lampy ksenonowej, a pomiar ilości wodoru w fazie gazowej wykonywany był na podstawie chromatogramów rejestrowanych przez detektor TCD. Wykazano, że redukcja tlenku tytanu(IV) w temperaturach do 900°C znacząco poprawia aktywność fotokatalityczną materiałów.

Titanium(IV) oxide is one of the most frequently used photocatalysts in water reduction reactions. Its advantage is the ability to change the oxidation state of titanium cations inside the crystal structure from IV to III by thermal reduction in high temperatures. Such modification causes the Fermi level of the crystal to rise and the reducing properties of TiO2 to be improved. In this thesis powders of titanium(IV) oxide reduced in temperatures from 700°C to 1100°C were analyzed. The investigation of the effect of reduction on grains' structure and chemical composition was based on SEM images and EDX analysis. Based on the spectra of reflectance in the UV-Vis range, the width of the band gap was determined, the values of which were in the range of 3.06 - 3.10 eV. The study of the photocatalytic activity consisted in the analysis of the effectiveness of the water reduction reaction inside the TiO2 powder suspension mixed with a water-methanol solution. Reaction was initiated with light of the xenon lamp and the measurement of the amount of hydrogen in the gas phase was made on the basis of chromatograms recorded by the TCD detector. It was shown that the reduction of titanium(IV) oxide at temperatures up to 900°C significantly improves the photocatalytic activity of the materials.