Visible-light photocatalytic activity and recyclability of N-doped TiO2 films grown by MOCVD

Abstract

Nitrogen-doped TiO2 films were grown on borosilicate glass substrates at 400 °C by the metallorganic chemical vapor deposition (MOCVD) for removing dye from water under visible light. The effect of N-doping on the structural, surface, and photocatalytic properties of films was evaluated. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses revealed that 1.56 and 2.44 at% of nitrogen were incorporated into the films by varying the NH3 flux during the growth. Methyl orange dye degradation experiments showed that the N-doped films presented photoactivity under visible light. The film containing 2.44 at% of nitrogen exhibited the best photocatalytic behavior, with 55% of efficiency. Recyclability tests under visible light showed that the film efficiency dropped gradually after each test. N-TiO2 films grown by MOCVD have the potential to be used in environmental applications by removing pollutants using a green method under sunlight or even under internal illumination, although its reuse is limited.

Síntese e caracterização de filmes nanocompósitos de TiO>sub<2>/sub</C para aplicações fotocatalíticas

“…Estender a faixa de atividade do TiO2 para radiação visível, que corresponde a 45 % da energia total da radiação solar 14 , permite o seu emprego em ambientes fechados a partir do uso de lâmpadas com o comprimento de onda adequado, ampliando as possibilidades de utilização do fotocatalisador em aplicações ambientais. Por esse motivo, esforços para desenvolver fotocatalisadores funcionais geralmente enfatizam o prolongamento da vida útil dos pares eletrônicos a partir do emprego de heterojunções e dopagem iônica do semicondutor 11,59,85,100 .…”

“…Um dos grandes desafios do uso de partículas de TiO2 como fotocatalisador em tratamentos de água está na dificuldade e elevado custo de separação do catalisador das suspensões 12,48,100 . As partículas fotocatalíticas suspensas tendem a se agregar, principalmente em altas concentrações.…”

“…Em ambos os casos os filmes apresentam baixa atividade fotocatalítica, o que sugere uma espessura limite mínima e máxima onde a atividade fotocatalítica é maior. Além disso, grande parte das pesquisas envolvendo filmes de TiO2 suportados 48,93,100 discutem e apresentam bons resultados com relação à possibilidade de reutilização dos catalisadores após diversos ciclos fotocatalíticos, mantendo-se a eficiência de degradação com elevada fotoestabilidadeimportantes atributos para a aplicação prática de tais materiais em processos de tratamento de água.…”

“…A molhabilidade de filmes fotocatalisadores é um importante parâmetro para aplicações fotocatalíticas, associada à afinidade ou não que um líquido tem com a superfície do filme 100,101 . Dessa maneira, a fim de avaliar a propriedade hidrofílica dos filmes de TiO2 e TiO2/C, foram realizados ensaios de molhabilidade a partir das medidas de ângulo de contato pelo método da gota séssil 10 .…”

“…A atividade fotocatalítica dos filmes de TiO2, sob irradiação de luz UVA, e dos filmes híbridos de TiO2/C, sob irradiação de luz visível, foi avaliada pela análise da remoção do corante alaranjado de metila em uma solução aquosa (pH = 2) de concentração 5 mg.L -1 , volume de 40 mL, durante 5 horas. Os valores de concentração do poluente-modelo e pH da solução foram definidos a partir dos estudos realizados anteriormente pelo grupo de pesquisa 15,48,100 .…”