zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1402Research ArticleСПЕКТРОСКОПИЯ НАНОСТРУКТУРSPECTROSCOPY OF NANOSTRUCTUREЭлектрокаталитические и фотоэлектрохимические свойства TiO2-электродов со структурой нанотрубок, термообработанных на воздухе и в водородеElectrocatalytic and Photoelectrochemical Properties of Nanotubular TiO2 Electrodes Thermally Treated in Air and HydrogenМальтановаА. М.MaltanavaH. M.

Минск

Minsk

annamaltanova@gmail.comКонаковА. О.KonakovA. O.

Минск, Черноголовка Московской обл.

Minsk, Chernogolovka, Moscow region

ГаевскаяТ. В.GaevskayaT. V.

Минск

Minsk

БелькоН. В.BelkoN. V.

Минск

Minsk

СамцовМ. П.SamtsovM. P.

Минск

Minsk

ПознякС. К.PoznyakS. K.

Минск

Minsk

Научно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университета; Институт прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаResearch Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State University; A. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of the Belarusian State UniversityНаучно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университета; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАНResearch Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State University; Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of SciencesНаучно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университетаResearch Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State UniversityИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of the Belarusian State University202324112023906882896Copyright © Мальтанова А.М., Конаков А.О., Гаевская Т.В., Белько Н.В., Самцов М.П., Позняк С.К., 20232023Мальтанова А.М., Конаков А.О., Гаевская Т.В., Белько Н.В., Самцов М.П., Позняк С.К.Maltanava H.M., Konakov A.O., Gaevskaya T.V., Belko N.V., Samtsov M.P., Poznyak S.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1402

Исследованы фотоэлектрохимические, структурные и электрокаталитические свойства нанотрубок диоксида титана (TiO2), полученных анодным окислением титана с последующей термообработкой на воздухе и в атмосфере водорода. Установлено, что прогрев нанотрубок TiO2 в атмосфере водорода не оказывает влияния на морфологию и фазовый состав TiO2-электродов, но приводит к высокой концентрации дефектных состояний в кристаллической решетке TiO2 за счет восстановительного допирования, сопровождаемого превращением Ti4+ в Ti3+. Рост дефектности приводит к снижению перенапряжения процесса электровосстановления кислорода на отожженных в водороде нанотрубках TiO2 по сравнению с образцами, прогретыми на воздухе, а также способствует существенному росту длинноволнового фототока при воздействии излучением видимого диапазона.

Photoelectrochemical, structural, and electrocatalytic properties of titanium dioxide (TiO2) nanotubes obtained by the anodization of titanium with subsequent thermal treatment in air or hydrogen were studied. It was shown that thermal treatment of TiO2 nanotubes in hydrogen had no effect on the morphology and phase composition of TiO2 electrodes. However, such treatment led to a high concentration of defect states in the crystal lattice of TiO2 due to reductive doping accompanied by the conversion of Ti4+ to Ti3+. A rise of the defectiveness resulted in a lowering of the overpotential for oxygen electroreduction at titanium dioxide nanotubes annealed in hydrogen compared to those annealed in air. In addition, annealing in hydrogen led to a significant increase in the long-wavelength photocurrent generated under visible light irradiation.

диоксид титанананотрубкиэлектрокатализфотоэлектрохимияtitanium dioxidenanotubeselectrocatalysisphotoelectrochemistryРабота выполнена в рамках ГПНИ “Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия” (задание 2.1.04.02), ГПНИ “Физическое материаловедение, новые материалы и технологии” (задание 2.78), а также государственного задания (№ АААА-А19-119061890019-5)ReferencesX. Chen, S. S. Mao. Chem. Rev., 107, N 7 (2007) 2891—2959X. Chen, S. S. Mao. Chem. Rev., 107, N 7 (2007) 2891—2959C. Dette, M. A. Pérez-Osorio, C. S. Kley, P. Punke, C. E. Patrick, P. Jacobson, F. Giustino, S. J. Jung, K. Kern. Nano Lett., 14 (2014) 6533—6538C. Dette, M. A. Pérez-Osorio, C. S. Kley, P. Punke, C. E. Patrick, P. Jacobson, F. Giustino, S. J. Jung, K. Kern. Nano Lett., 14 (2014) 6533—6538X. Chen, A. Selloni. Chem. Rev., 114 (2014) 9281—9282X. Chen, A. Selloni. Chem. Rev., 114 (2014) 9281—9282P. Roy, S. Berger, P. Schmuki. Angew. Chem. Int. Ed., 50 (2011) 2904—2939P. Roy, S. Berger, P. Schmuki. Angew. Chem. Int. Ed., 50 (2011) 2904—2939Y. Furubayashi, T. Hitosugi, Y. Yamamoto, K. Inaba, G. Kinoda, Y. Hirose, T. Shimada, T. Hasegawa. Appl. Phys. Lett., 86, N 2 (2005) 252101Y. Furubayashi, T. Hitosugi, Y. Yamamoto, K. Inaba, G. Kinoda, Y. Hirose, T. Shimada, T. Hasegawa. Appl. Phys. Lett., 86, N 2 (2005) 252101R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga. Science, 293 (2001) 269—271R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga. Science, 293 (2001) 269—271J. Matos, J. Ocares-Riquelme, P. S. Poon, R. Montaña, X. García, K. Campos, J.C. Hernández-Garrido, M. M. Titirici. J. Colloid Interface Sci., 547 (2019) 14—29J. Matos, J. Ocares-Riquelme, P. S. Poon, R. Montaña, X. García, K. Campos, J.C. Hernández-Garrido, M. M. Titirici. J. Colloid Interface Sci., 547 (2019) 14—29S. Cravanzola, F. Cesano, F. Gaziano, D. Scarano. Catalyst., 7, N 7 (2017) 214—224S. Cravanzola, F. Cesano, F. Gaziano, D. Scarano. Catalyst., 7, N 7 (2017) 214—224S. Sakthivel, M. V. Shankar, M. Palanichamy, B. Arabindoo, D. W. Bahnemann, V. Murugesan. Water Res., 38, N 13 (2004) 3001—3008S. Sakthivel, M. V. Shankar, M. Palanichamy, B. Arabindoo, D. W. Bahnemann, V. Murugesan. Water Res., 38, N 13 (2004) 3001—3008M. A. Barakat, R. I. Al-Hutailah, E. Qayyum, J. Rashid, J. N. Kuhn. Environ. Technol., 35 (2014) 137—144M. A. Barakat, R. I. Al-Hutailah, E. Qayyum, J. Rashid, J. N. Kuhn. Environ. Technol., 35 (2014) 137—144D. Robert. Catal. Today, 122 (2007) 20—26D. Robert. Catal. Today, 122 (2007) 20—26Y. Lin, P. Ren, C. Wei. Cryst. Eng. Comm., 21 (2019) 3439—3450Y. Lin, P. Ren, C. Wei. Cryst. Eng. Comm., 21 (2019) 3439—3450Y. Liu, L. Tian, X. Tan, X. Li, X. Chen. Sci. Bull., 62 (2017) 431—441Y. Liu, L. Tian, X. Tan, X. Li, X. Chen. Sci. Bull., 62 (2017) 431—441T. S. Rajaraman, S. P. Parikh, V. G. Gandhi. Chem. Eng. J., 389 (2020) 123918T. S. Rajaraman, S. P. Parikh, V. G. Gandhi. Chem. Eng. J., 389 (2020) 123918Н. Е. Борорико, Д. В. Свиридов. Журн. Бел. гос. ун-та. Химия, 2 (2020) 89—97Н. Е. Борорико, Д. В. Свиридов. Журн. Бел. гос. ун-та. Химия, 2 (2020) 89—97X. Chen, L. Liu, P.Y. Yu, S. S. Mao. Science, 331 (2011) 746—750X. Chen, L. Liu, P.Y. Yu, S. S. Mao. Science, 331 (2011) 746—750W. Zhou, W. Li, J. Q. Wang, Y. Qu, Y. Yang, Y. Xie, K. Zhang, L. Wang, H. Fu, D. Zhao. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014) 9280—9283W. Zhou, W. Li, J. Q. Wang, Y. Qu, Y. Yang, Y. Xie, K. Zhang, L. Wang, H. Fu, D. Zhao. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014) 9280—9283X. B. Chen, L. Liu, F. Q. Huang. Chem. Soc. Rev., 44 (2015) 1861—1885X. B. Chen, L. Liu, F. Q. Huang. Chem. Soc. Rev., 44 (2015) 1861—1885M. Tian, M. Mahjouri-Samani, G. Eres, R. Sachan, M. Yoon, M. F. Chisholm, K. Wang, A. A. Puretzky, C. M. Rouleau, D. B. Geohegan, G. Duscher. ACS Nano, 9 (2015) 10482—10488M. Tian, M. Mahjouri-Samani, G. Eres, R. Sachan, M. Yoon, M. F. Chisholm, K. Wang, A. A. Puretzky, C. M. Rouleau, D. B. Geohegan, G. Duscher. ACS Nano, 9 (2015) 10482—10488X. D. Jiang, Y. P. Zhang, J. Jiang, Y. S. Rong, Y. C. Wang, Y. C. Wu, C. X. Pan. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 22619—22624X. D. Jiang, Y. P. Zhang, J. Jiang, Y. S. Rong, Y. C. Wang, Y. C. Wu, C. X. Pan. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 22619—22624A. Naldoni, M. Allieta, S. Santangelo, M. Marelli, F. Fabbri, S. Cappelli, C. L. Bianchi, R. Psaro, V. Dal Santo. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 7600—7603A. Naldoni, M. Allieta, S. Santangelo, M. Marelli, F. Fabbri, S. Cappelli, C. L. Bianchi, R. Psaro, V. Dal Santo. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 7600—7603B. Qiu, Y. Zhou, Y. Ma, X. Yang, W. Sheng, M. Xing, J. Zhang. Sci. Rep., 5 (2015) 8591B. Qiu, Y. Zhou, Y. Ma, X. Yang, W. Sheng, M. Xing, J. Zhang. Sci. Rep., 5 (2015) 8591Y. Liu, K. Mu, Y. Zhang, L. Wang, G. Yang, F. Shen, S. Deng, X. Zhang, S. Zhang. Int. J. Hydrogen Energy, 41 (2016) 10327—10334Y. Liu, K. Mu, Y. Zhang, L. Wang, G. Yang, F. Shen, S. Deng, X. Zhang, S. Zhang. Int. J. Hydrogen Energy, 41 (2016) 10327—10334C. Mao, F. Zuo, Y. Hou, X. Bu, P. Feng. Angew. Chem., 53 (2014) 10485—10489C. Mao, F. Zuo, Y. Hou, X. Bu, P. Feng. Angew. Chem., 53 (2014) 10485—10489J. Wang, P. Yang, B. Huang. Appl. Surface Sci., 356 (2015) 391—398J. Wang, P. Yang, B. Huang. Appl. Surface Sci., 356 (2015) 391—398F. Zuo, K. Bozhilov, R. J. Dillon, L. Wang, P. Smith, X. Zhao, C. Bardeen, P. Feng. Angew. Chem., 124 (2012) 6327—6330F. Zuo, K. Bozhilov, R. J. Dillon, L. Wang, P. Smith, X. Zhao, C. Bardeen, P. Feng. Angew. Chem., 124 (2012) 6327—6330F. Zuo, L. Wang, T. Wu, Z. Zhang, D. Borchardt, P. Feng. J. Am. Chem. Soc., 132 (2010) 11856—11857F. Zuo, L. Wang, T. Wu, Z. Zhang, D. Borchardt, P. Feng. J. Am. Chem. Soc., 132 (2010) 11856—11857K. Alamelu, V. Raja, L. Shiamala, A. Jaffar. Appl. Surf. Sci., 430 (2018) 145—154K. Alamelu, V. Raja, L. Shiamala, A. Jaffar. Appl. Surf. Sci., 430 (2018) 145—154C. Kim, S. Kim, J. Choi, J. Lee, J. S. Kang, Y. E. Sung, J. Lee, W. Choi, J. Yoon. Electrochim. Acta, 141 (2014) 113—119C. Kim, S. Kim, J. Choi, J. Lee, J. S. Kang, Y. E. Sung, J. Lee, W. Choi, J. Yoon. Electrochim. Acta, 141 (2014) 113—119L. Zhu, H. Ma, H. Han, Y. Fu, C. Ma, Z. Yu, X. Dong. RSC Adv., 8 (2018) 18992—19000L. Zhu, H. Ma, H. Han, Y. Fu, C. Ma, Z. Yu, X. Dong. RSC Adv., 8 (2018) 18992—19000H. Maltanava, S. Mazheika, M. Starykevich, T. Gaevskaya, A. Konakov, M. Ferro, J. Tedim, S. Poznyak. J. Electroanal. Chem., 904 (2022) 115844H. Maltanava, S. Mazheika, M. Starykevich, T. Gaevskaya, A. Konakov, M. Ferro, J. Tedim, S. Poznyak. J. Electroanal. Chem., 904 (2022) 115844H. Tang, Y. Su, B. Zhang, A. F. Lee, M. A. Isaacs, K. Wilson, L. Li, Y. Ren, J. Huang, M. Haruta, B. Qiao, X. Liu, C. Jin, D. Su, J. Wang, T. Zhang. Sci. Adv., 3, N 5 (2017) e170023(1—8)H. Tang, Y. Su, B. Zhang, A. F. Lee, M. A. Isaacs, K. Wilson, L. Li, Y. Ren, J. Huang, M. Haruta, B. Qiao, X. Liu, C. Jin, D. Su, J. Wang, T. Zhang. Sci. Adv., 3, N 5 (2017) e170023(1—8)C. Zhang, H. Yu, Y. Li, L. Fu, Y. Gao, W. Song, Z. Shao, B. Yi. Nanoscale, 5 (2013) 6834—6841C. Zhang, H. Yu, Y. Li, L. Fu, Y. Gao, W. Song, Z. Shao, B. Yi. Nanoscale, 5 (2013) 6834—6841C. Zhang, H. Yu, Y. Li, Y. Gao, Y. Zhao, W. Song, Z. Shao, B. Yi. Chem. Sus. Chem., 6 (2013) 659—666C. Zhang, H. Yu, Y. Li, Y. Gao, Y. Zhao, W. Song, Z. Shao, B. Yi. Chem. Sus. Chem., 6 (2013) 659—666М. Р. Тарасевич, Е. И. Хрущева, В. Ю. Филиновский. Вращающийся дисковый электрод с кольцом, Москва, Наука (1987) 17—25М. Р. Тарасевич, Е. И. Хрущева, В. Ю. Филиновский. Вращающийся дисковый электрод с кольцом, Москва, Наука (1987) 17—25G. Boschloo, D. Fitzmaurice. J. Phys. Chem. B, 103, N 12 (1999) 2228—2231G. Boschloo, D. Fitzmaurice. J. Phys. Chem. B, 103, N 12 (1999) 2228—2231H. Maltanava, S. Poznyak, M. Ivanovskaya, N. Scharnagl, M. Starykevich, A. N. Salak, M. Soares, A. Mazanik. J. Fluorine Chem., 221 (2019) 34—41H. Maltanava, S. Poznyak, M. Ivanovskaya, N. Scharnagl, M. Starykevich, A. N. Salak, M. Soares, A. Mazanik. J. Fluorine Chem., 221 (2019) 34—41А. М. Трунов. Электрохимия, 51, № 4 (2015) 385—392А. М. Трунов. Электрохимия, 51, № 4 (2015) 385—392А. М. Мальтанова, Н. Ю. Брежнева, А. В. Мазаник, С. О. Мажейко, Т. В. Гаевская, Е. В. Скорб, С. К. Позняк. Журн. Бел. гос. ун-та. Химия, 2 (2020) 63—75А. М. Мальтанова, Н. Ю. Брежнева, А. В. Мазаник, С. О. Мажейко, Т. В. Гаевская, Е. В. Скорб, С. К. Позняк. Журн. Бел. гос. ун-та. Химия, 2 (2020) 63—75М. Р. Тарасевич, Е. И. Хрущева, Н. А. Шумилова. Итоги науки и техники. Сер. Электрохимия, 13 (1978) 47—93М. Р. Тарасевич, Е. И. Хрущева, Н. А. Шумилова. Итоги науки и техники. Сер. Электрохимия, 13 (1978) 47—93A. Lasia. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Its Applications, Boston, Springer (2002) 143—248A. Lasia. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Its Applications, Boston, Springer (2002) 143—248K. Gelderman, L. Lee, S. W. Donne. J. Chem. Educ., 84, N 4 (2007) 685K. Gelderman, L. Lee, S. W. Donne. J. Chem. Educ., 84, N 4 (2007) 685H. Zhu, M. Zhao, J. Zhou, W. Li, H. Wang, Z. Xu, L. Li, L. Pei, Z. Shi, S. Yan, Z. Li, Z. Zou. Appl. Catal. B: Environ., 234 (2018) 100—108H. Zhu, M. Zhao, J. Zhou, W. Li, H. Wang, Z. Xu, L. Li, L. Pei, Z. Shi, S. Yan, Z. Li, Z. Zou. Appl. Catal. B: Environ., 234 (2018) 100—108N. Serpone. J. Phys. Chem. B, 110, N 48 (2006) 24287—24293N. Serpone. J. Phys. Chem. B, 110, N 48 (2006) 24287—24293K. Boubaker. Eur. Phys. J. Plus, 126, N 1 (2011) 1—4K. Boubaker. Eur. Phys. J. Plus, 126, N 1 (2011) 1—4L. Chiodo, J. M. García-Lastra, A. Iacomino, S. Ossicini, J. Zhao, H. Petek, A. Rubio. Phys. Rev. B, 82, N 4 (2010) 045207L. Chiodo, J. M. García-Lastra, A. Iacomino, S. Ossicini, J. Zhao, H. Petek, A. Rubio. Phys. Rev. B, 82, N 4 (2010) 045207

The authors declare that there are no conflicts of interest present.