Highly ordered Ag--TiO₂ nanocomposited arrays with high visible-light photocatalytic activity

Abstract

TiO₂ is active only in the ultraviolet region. To enhance the active ability, a combined method consisting of the anodic oxidation method and the hydrothermal method was developed to prepare highly ordered Ag–TiO₂ nanocomposited arrays. The anodic oxidation was used to synthesize amorphous nanotubes with high chemical activity that subsequently served as highly ordered templates in preparing the final sample. The amorphous nanotubes got converted to highly ordered Ag–TiO₂ (anatase) arrays in the silver nitrate & glucose aqueous solution via hydrothermal treatment. SEM and TEM results show that the Ag–TiO₂ nanocomposite was composed of a large number of Ag nanoparticles and anatase TiO₂ nanoparticles, and the morphology of those at the top of the arrays was found different from that of its trunk. The morphology evolution mechanism of the obtained sample was discussed. It is also revealed that the Ag–TiO₂ nanocomposite has high visible-light photocatalytic activity.

Keywords

TiO₂ / nanoparticles / silver / heterojunction

References

[1] Yin H, Wada Y, Kitamura T, . Hydrothermal synthesis of nanosized anatase and rutile TiO₂ using amorphous phase TiO₂. Journal of Materials Chemistry, 2001, 11(6): 1694–1703

[2] Lapides A M, Ashford D L, Hanson K, . Stabilization of a ruthenium(II) polypyridyl dye on nanocrystalline TiO₂ by an electropolymerized overlayer. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(41): 15450–15458

[3] Durupthy O, Bill J, Aldinger F. Bioinspired synthesis of crystalline TiO₂: effect of amino acids on nanoparticles structure and shape. Crystal Growth & Design, 2007, 7(12): 2696–2704

[4] Nguyen C K, Cha H G, Kang Y S. Axis-oriented, anatase TiO₂ single crystals with dominant 001 and 100 facets. Crystal Growth & Design, 2011, 11(9): 3947–3953

[5] Tong H, Ouyang S, Bi Y, . Nano-photocatalytic materials: possibilities and challenges. Advanced Materials, 2012, 24(2): 229–251

[6] Reyes-Coronado D, Rodríguez-Gattorno G, Espinosa-Pesqueira M E, . Phase-pure TiO₂ nanoparticles: anatase, brookite and rutile. Nanotechnology, 2008, 19(14): 145605

[7] Peng Y, Huang G, Huang W. Visible-light absorption and photocatalytic activity of Cr-doped TiO₂ nanocrystal films. Advanced Powder Technology, 2012, 23(1): 8–12

[8] Waterhouse G I N, Wahab A K, Al-Oufi M, . Hydrogen production by tuning the photonic band gap with the electronic band gap of TiO₂. Scientific Reports, 2013, 3: 2849 (5 pages) doi:10.1038/srep02849

[9] Kisch H. Semiconductor photocatalysis — mechanistic and synthetic aspects. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(3): 812–847

[10] Chen X, Burda C. The electronic origin of the visible-light absorption properties of C-, N- and S-doped TiO₂ nanomaterials. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(15): 5018–5019

[11] De Trizio L, Buonsanti R, Schimpf A M, . Nb-doped colloidal TiO₂ nanocrystals with tunable infrared absorption. Chemistry of Materials, 2013, 25(16): 3383–3390

[12] Sacco O, Vaiano V, Han C, . Photocatalytic removal of atrazine using N-doped TiO₂ supported on phosphors. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164: 462–474

[13] Spadavecchia F, Cappelletti G, Ardizzone S, . Solar photoactivity of nano-N-TiO₂ from tertiary amine: role of defects and paramagnetic species. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 96(3‒4): 314–322

[14] Lee W J, Lee J M, Kochuveedu S T, . Biomineralized N-doped CNT/TiO₂ core/shell nanowires for visible light photocatalysis. ACS Nano, 2012, 6(1): 935–943

[15] Lee H U, Lee G, Park J C, . Efficient visible-light responsive TiO₂ nanoparticles incorporated magnetic carbon photocatalysts. Chemical Engineering Journal, 2014, 240: 91–98

[16] Wu F, Hu X, Fan J, . Photocatalytic activity of Ag/TiO₂ nanotube arrays enhanced by surface plasmon resonance and application in hydrogen evolution by water splitting. Plasmonics, 2013, 8(2): 501–508

[17] Liang Y, Wang C, Kei C, . Photocatalysis of Ag-loaded TiO₂ nanotube arrays formed by atomic layer deposition. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(19): 9498–9502

[18] Jiang Y, Zheng B, Du J, . Electrophoresis deposition of Ag nanoparticles on TiO₂ nanotube arrays electrode for hydrogen peroxide sensing. Talanta, 2013, 112(15): 129–135

[19] Yang C, Balakrishnan N, Bhethanabotla V R, . Interplay between subnanometer Ag and Pt clusters and anatase TiO₂ (101) surface: Implications for catalysis and photocatalysis. The Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(9): 4702–4714

[20] Tanaka A, Hashimoto K, Kominami H. Visible-light-induced hydrogen and oxygen formation over Pt/Au/WO₃ photocatalyst utilizing two types of photoabsorption due to surface plasmon resonance and band-gap excitation. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136(2): 586–589

[21] Long R, Prezhdo O V. Instantaneous generation of charge-separated state on TiO₂ surface sensitized with plasmonic nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136(11): 4343–4354

[22] Huang Z A, Sun Q, Lv K, . Effect of contact interface between TiO₂ and g-C₃N₄ on the photoreactivity of g-C₃N₄/TiO₂ photocatalyst: (001) vs (101) facets of TiO₂. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164: 420–427

[23] Wu L, Li F, Xu Y, . Plasmon-induced photoelectrocatalytic activity of Au nanoparticles enhanced TiO₂ nanotube arrays electrodes for environmental remediation. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164: 217–224

[24] Shi L, Liang L, Ma J, . Enhanced photocatalytic activity over the Ag₂O–g-C₃N₄ composite under visible light. Catalysis Science & Technology, 2014, 4(3): 758

[25] Zhou W, Liu H, Wang J, . Ag₂O/TiO₂ nanobelts heterostructure with enhanced ultraviolet and visible photocatalytic activity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2(8): 2385–2392

[26] Sarkar D, Ghosh C K, Mukherjee S, . Three dimensional Ag₂O/TiO₂ type-II (p–n) nanoheterojunctions for superior photocatalytic activity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(2): 331–337

[27] Wang Y, Zhang Y N, Zhao G, . Design of a novel Cu₂O/TiO₂/carbon aerogel electrode and its efficient electrosorption-assisted visible light photocatalytic degradation of 2,4,6-trichlorophenol. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4(8): 3965–3972

[28] Liao Y, Que W, Zhong P, . A facile method to crystallize amorphous anodized TiO₂ nanotubes at low temperature. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(7): 2800–2804

[29] Huo K, Wang H, Zhang X, . Heterostructured TiO₂ nanoparticles/nanotube arrays: in situ formation from amorphous TiO₂ nanotube arrays in water and enhanced photocatalytic activity. ChemPlusChem, 2012, 77(4): 323–329

[30] Zhao C, Zhu D, Cao S. Amorphous TiO₂ nanotube-derived synthesis of highly ordered anatase TiO₂ nanorod arrays. Superlattices and Microstructures, 2016, 90: 257–264

[31] Wang D, Liu L, Zhang F, . Spontaneous phase and morphology transformations of anodized titania nanotubes induced by water at room temperature. Nano Letters, 2011, 11(9): 3649–3655

[32] Sun X M, Li Y D. Ag@C core/shell structured nanoparticles: controlled synthesis, characterization, and assembly. Langmuir, 2005, 21(13): 6019‒6024 

[33] Spanhel L, Weller H, Henglein A. Photochemistry of semiconductor colloids. 22. Electron ejection from illuminated cadmium sulfide into attached titanium and zinc oxide particles. Journal of the American Chemical Society, 1987, 109(22): 6632–6635

[34] Wang M, Sun L, Lin Z, . p–n Heterojunction photoelectrodes composed of Cu₂O-loaded TiO₂ nanotube arrays with enhanced photoelectrochemical and photoelectrocatalytic activities. Energy & Environmental Science, 2013, 6(4): 1211–1220

[35] Scanlon D O, Dunnill C W, Buckeridge J, . Band alignment of rutile and anatase TiO₂. Nature Materials, 2013, 12(9): 798–801

[36] Zhao C, Shu X, Zhu D C, . High visible light photocatalytic property of Co²⁺-doped TiO₂ nanoparticles with mixed phases. Superlattices and Microstructures, 2015, 88: 32–42

Acknowledgements

This work was supported by the Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (Grant Nos. KJ1601116 and KJ1501126), and the open project foundation of Chongqing Key Laboratory of Micro/Nano Materials Engineering and Technology (Grant No. KFJJ1302).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg