DOI: https://doi.org/10.56053/10.1.93
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Ali Abdull Haleem وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع أفلام رقيقة من TiO2 المعدلة بـ SiO2 بنجاح على ركائز زجاجية باستخدام تقنية الطلاء الدوراني، تلتها عملية تلدين عند درجات حرارة 500 °م و600 °م. ساعدت إضافة SiO2 غير المتبلور في تحويل TiO2 من طور الروتيل إلى طور الأناز، الذي يعد أكثر ملاءمة للتطبيقات الضوئية بسبب معدلات إعادة التركيب المنخفضة. أظهرت تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) زيادة في البلورية ونقاء الطور عند درجات حرارة تلدين مرتفعة، بينما أظهرت المجهرية القوية (AFM) تحسينات كبيرة في نمو الحبوب ونعومة السطح عند 600 °م. كشفت الدراسات البصرية عن زيادة طفيفة في فجوة الطاقة مع ارتفاع درجات الحرارة، attributed to improved crystallinity, وبيّنت مطيافية الفلورية (PL) تقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي.
تم تقييم الأداء الضوئي من خلال تحلل البرتقالي الميثيلي، حيث حقق عينة SiO2 بنسبة 33% الملدنة عند 500 °م معدل تحلل قدره 55.48% بعد 90 دقيقة تحت ضوء الشمس. تم ربط هذا الأداء الأمثل بتوازن ملائم بين البلورية، هيكل العيوب، ومساحة السطح. تؤكد النتائج على أهمية تعديل SiO2 والمعالجة الحرارية في تعزيز الخصائص الهيكلية والبصرية والضوئية لأفلام TiO2 الرقيقة، مما يضعها كمرشحين واعدين للتطبيقات البيئية وتطبيقات الطاقة الشمسية.
مقدمة
**مقدمة**
ظهر ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) كمادة بارزة في السنوات الأخيرة بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الرائعة، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات مثل الطلاءات على الزجاج والبلاط التي يمكن أن تتحلل الأوساخ العضوية والملوثات تحت ضوء الشمس. تشمل مزاياه الاستقرار الكيميائي العالي، عدم السمية، الوفرة، ونفاذية بصرية ممتازة، مما يساهم في استدامة أفلام TiO2 الرقيقة. يظهر الشكلان البلوريان الرئيسيان لـ TiO2، الأناز والروتيل، خصائص مختلفة، حيث يتمتع الأناز بفجوة طاقة أوسع (~3.2 eV) ونشاط ضوئي عمومًا أفضل مقارنةً بالروتيل (~3.0 eV).
تركز هذه الدراسة على تصنيع أفلام TiO2 وTiO2/SiO2 على شرائح زجاجية باستخدام تقنية الطلاء الدوراني، التي تعتبر فعالة من حيث التكلفة وتسمح بإنتاج أفلام متجانسة مع سمك وتركيب متحكم فيهما. تهدف البحث إلى دراسة تأثيرات دمج SiO2 ودرجة حرارة التلدين على الخصائص الهيكلية، الشكلية، والبصرية للأفلام، بهدف تحسين نشاطها الضوئي تحت الإشعاع الشمسي. يتضمن الآلية الضوئية توليد أزواج من الإلكترونات والفجوات على سطح أشباه الموصلات، حيث تتفاعل الفجوات مع الماء لإنتاج جذور الهيدروكسيل (⋅OH)، بينما تقلل الإلكترونات الأكسجين لتشكيل جذور فوق أكسيد (⋅O2 -). تسهل هذه الأنواع التفاعلية تحلل الملوثات العضوية إلى نواتج غير ضارة. ومع ذلك، فإن فجوة الطاقة الكبيرة لـ TiO2 النقي تحد من كفاءته تحت ضوء الشمس، مما يدفع الجهود لتعزيز امتصاصه للضوء المرئي من خلال التطعيم وتشكيل المركبات لتحسين أدائه الضوئي.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات نانوية من TiO2 باستخدام طريقة اختزال البوليل. بدأت العملية بإضافة 0.864 غرام من أكسيد الكبريتات التيتانيوم (IV) (TiOSO4) إلى 40 مل من جلايكول التترايثيلين (TEG)، تلتها إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم. تم تسخين الخليط إلى 165 °م لمدة 3 ساعات تحت تحريك مستمر. بعد ذلك، تم دمج محلول السيليكا الغروية مع النانو-كولود من TiO2 بنسبتين مختلفتين من SiO2 (33% و39%) لضمان تشتت متجانس. تم ترسيب المحاليل الناتجة على ركائز زجاجية من صودا الجير بحجم 25×25 مم²، والتي تم معالجتها مسبقًا في محلول بيرانا، وشُطفت، وجففت.
خضعت الركائز المطلية لعملية الطلاء الدوراني بسرعة 3500 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، تلتها معالجة حرارية في فرن عند درجات حرارة 500 °م و600 °م لمدة ساعتين. تم تحليل الخصائص الهيكلية للأفلام باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز Shimadzu-6000، بينما تم تقييم الشكل السطحي من خلال المجهرية القوية (AFM) والمجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) (ZEISS). بالإضافة إلى ذلك، تم قياس امتصاص الضوء للأعينات المطلية عبر نطاق الطول الموجي من 200-800 نانومتر باستخدام مطياف UV-Vis (طراز Agilent Cary 5000).
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم النشاط الضوئي لأفلام TiO2 وSiO2/TiO2 (39/61)، التي تم إعدادها عبر الطلاء الدوراني ومعالجتها عند درجات حرارة 500 °م و600 °م، باستخدام البرتقالي الميثيلي كصبغة نموذجية. تم غمر الأفلام في محلول برتقالي ميثيلي بتركيز 1×10⁻³ م وتعرضها لضوء الشمس لفترات زمنية مختلفة (30، 60، و90 دقيقة). أظهرت النتائج، كما هو موضح في الشكل 11، انخفاضًا كبيرًا في الامتصاص عند 500 نانومتر، مما يتوافق مع تحلل الصبغة، الذي تم تقييمه كميًا باستخدام معادلة التطبيع. تم حساب كفاءة التحلل باستخدام الصيغة:
\[
\text{كفاءة التحلل} = \left(1 – \frac{C_t}{C_0}\right) \times 100\%
\]
حيث \(C_0\) هو التركيز الابتدائي و\(C_t\) هو التركيز عند الزمن \(t\).
كشفت النتائج أن المركب SiO2/TiO2 المعالج عند 500 °م أظهر أعلى كفاءة ضوئية، attributed to an optimal balance of surface area and crystallinity, which enhanced the dispersion of TiO2 nanoparticles and reduced the recombination rate of electron-hole pairs. في المقابل، أظهرت العينة المعالجة عند 600 °م أداءً أقل قليلاً بسبب تأثيرات التلبيد التي قللت من مساحة السطح. تتضمن الآلية الضوئية المقترحة توليد جذور الهيدروكسيل التفاعلية وأنواع فوق أكسيد فعالة تقوم بتحلل البرتقالي الميثيلي إلى مركبات أقل ضررًا، مما يبرز إمكانيات هذه المواد في تطبيقات معالجة البيئة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على الخصائص الهيكلية والبصرية لأفلام TiO₂ الرقيقة المطلية بالدوران والمعدلة بـ SiO₂ غير المتبلور، مع التأكيد على إمكانياتها للتطبيقات الضوئية. تكشف تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) أن إدخال SiO₂ يعزز الانتقال من طور الروتيل إلى طور الأناز، الذي يعد أكثر ملاءمة للضوء بسبب ديناميات ناقلات الشحنة المتفوقة. بشكل محدد، ينخفض حجم البلورات مع زيادة محتوى SiO₂، مما يؤدي إلى زيادة مساحة السطح والمواقع النشطة لتفاعلات الضوء. تؤدي النسبة المثلى من TiO₂ إلى SiO₂ (39:61) عند درجة حرارة تلدين 500 °م إلى تقليل كبير في فجوة الطاقة البصرية إلى 2.1 eV، مما يعزز امتصاص الضوء المرئي وكفاءة الضوء.
تشير التحليلات الإضافية باستخدام المجهرية القوية (AFM) ومطيافية الفلورية (PL) إلى أن درجات حرارة التلدين الأعلى تحسن البلورية وتقلل من حالات العيوب، على الرغم من أن النمو المفرط للحبوب عند 600 °م قد يقلل من مساحة السطح. تظهر اختبارات القابلية للتبلل أن دمج SiO₂ يعزز بشكل كبير من قدرة الأفلام على امتصاص الماء، وهو أمر حاسم لتفاعلات الضوء الفعالة. تشير النتائج إلى أن التحكم الدقيق في دمج SiO₂ وظروف التلدين أمر ضروري لتحسين الأداء الضوئي لمركبات TiO₂:SiO₂، حيث حققت عينة SiO2 بنسبة 39% الملدنة عند 500 °م أعلى كفاءة تحلل في اختبارات الضوء.
DOI: https://doi.org/10.56053/10.1.93
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Ali Abdull Haleem et al.
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
In this study, SiO2-modified TiO2 thin films were successfully fabricated on glass substrates using the spin-coating technique, followed by annealing at temperatures of 500 °C and 600 °C. The addition of amorphous SiO2 facilitated the transformation of TiO2 from the rutile to the anatase phase, which is more favorable for photocatalytic applications due to its lower recombination rates. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated enhanced crystallinity and phase purity at elevated annealing temperatures, while atomic force microscopy (AFM) demonstrated significant improvements in grain growth and surface smoothness at 600 °C. Optical studies revealed a slight increase in the bandgap with higher temperatures, attributed to improved crystallinity, and photoluminescence (PL) spectroscopy showed reduced non-radiative recombination.
The photocatalytic performance was assessed through the degradation of methyl orange, with the 33% SiO2 sample annealed at 500 °C achieving a degradation rate of 55.48% after 90 minutes under sunlight. This optimal performance was linked to a favorable balance between crystallinity, defect structure, and surface area. The findings underscore the importance of SiO2 modification and thermal treatment in enhancing the structural, optical, and photocatalytic properties of TiO2 thin films, positioning them as promising candidates for environmental and solar-driven applications.
Introduction
**Introduction**
Titanium dioxide (TiO2) has emerged as a prominent material in recent years due to its remarkable physical and chemical properties, making it ideal for applications such as coatings on glass and tiles that can decompose organic dirt and contaminants under sunlight. Its advantages include high chemical stability, non-toxicity, abundance, and excellent optical transmittance, which contribute to the sustainability of TiO2 thin films. The two primary polymorphs of TiO2, anatase and rutile, exhibit different properties, with anatase having a wider bandgap (~3.2 eV) and generally superior photocatalytic activity compared to rutile (~3.0 eV).
This study focuses on the fabrication of TiO2 and TiO2/SiO2 thin films on glass slides using the spin-coating technique, which is cost-effective and allows for uniform film production with controlled thickness and composition. The research aims to investigate the effects of SiO2 incorporation and annealing temperature on the structural, morphological, and optical properties of the films, with the goal of optimizing their photocatalytic activity under solar irradiation. The photocatalytic mechanism involves the generation of electron-hole pairs on the semiconductor surface, where holes react with water to produce hydroxyl radicals (⋅OH), while electrons reduce oxygen to form superoxide radicals (⋅O2 -). These reactive species facilitate the breakdown of organic pollutants into harmless byproducts. However, the large bandgap of pure TiO2 limits its efficiency under sunlight, prompting efforts to enhance its visible-light absorption through doping and composite formation to improve its photocatalytic performance.
Methods
In this study, TiO2 nanoparticles were synthesized using the polyol reduction method. The process began with the addition of 0.864 g of titanium (IV) oxysulfate (TiOSO4) to 40 ml of tetraethylene glycol (TEG), followed by the incorporation of a sodium hydroxide solution. The mixture was heated to 165 °C for 3 hours under continuous stirring. Subsequently, a colloidal silica solution was combined with the TiO2 nano-colloid at two different SiO2 ratios (33% and 39%) to ensure uniform dispersion. The resulting solutions were deposited onto 25×25 mm² soda lime glass substrates, which were pre-treated in a piranha solution, rinsed, and dried.
The coated substrates underwent spin coating at 3500 rpm for 30 seconds, followed by thermal treatment in an oven at temperatures of 500 °C and 600 °C for 2 hours. The structural properties of the films were analyzed using X-ray diffraction (XRD) with a Shimadzu-6000 instrument, while surface morphology was assessed through Atomic Force Microscopy (AFM) and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) (ZEISS). Additionally, the optical absorbance of the coated samples was measured across a wavelength range of 200-800 nm using a UV-Vis spectrophotometer (Agilent Cary 5000 model).
Results
In this study, the photocatalytic activity of TiO2 and SiO2/TiO2 (39/61) thin films, prepared via spin coating and treated at temperatures of 500 °C and 600 °C, was evaluated using Methyl Orange as a model dye. The films were immersed in a 1×10⁻³ M Methyl Orange solution and exposed to sunlight for varying durations (30, 60, and 90 minutes). The results, as shown in Figure 11, indicated a significant decrease in absorbance at 500 nm, correlating with the degradation of the dye, which was quantitatively assessed using the normalization equation. The degradation efficiency was calculated using the formula:
\[
\text{Degradation efficiency} = \left(1 – \frac{C_t}{C_0}\right) \times 100\%
\]
where \(C_0\) is the initial concentration and \(C_t\) is the concentration at time \(t\).
The findings revealed that the SiO2/TiO2 composite treated at 500 °C exhibited the highest photocatalytic efficiency, attributed to an optimal balance of surface area and crystallinity, which enhanced the dispersion of TiO2 nanoparticles and reduced the recombination rate of electron-hole pairs. In contrast, the sample treated at 600 °C showed slightly diminished performance due to sintering effects that reduced surface area. The proposed photocatalytic mechanism involves the generation of reactive hydroxyl radicals and superoxide species that effectively degrade Methyl Orange into less harmful compounds, highlighting the potential of these materials in environmental remediation applications.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the structural and optical properties of spin-coated TiO₂ thin films modified with amorphous SiO₂, emphasizing their potential for photocatalytic applications. X-ray diffraction (XRD) analysis reveals that the introduction of SiO₂ promotes the transition from the rutile to the anatase phase, which is more favorable for photocatalysis due to its superior charge carrier dynamics. Specifically, the crystallite size decreases with increasing SiO₂ content, leading to enhanced surface area and more active sites for photocatalytic reactions. The optimal ratio of TiO₂ to SiO₂ (39:61) at an annealing temperature of 500 °C results in a significant reduction in the optical band gap to 2.1 eV, enhancing visible light absorption and photocatalytic efficiency.
Further analysis using atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) spectroscopy indicates that higher annealing temperatures improve crystallinity and reduce defect states, although excessive grain growth at 600 °C may diminish surface area. The wettability tests demonstrate that the incorporation of SiO₂ significantly enhances the hydrophilicity of the films, which is crucial for effective photocatalytic reactions. The findings suggest that careful control of SiO₂ incorporation and annealing conditions is essential for optimizing the photocatalytic performance of TiO₂:SiO₂ composites, with the 39% SiO₂ sample annealed at 500 °C achieving the highest degradation efficiency in photocatalytic tests.