Effect of LEHCEB pre-treatment on photoactive TiO2 films obtained by plasma electrolytic oxidation

The goal of this thesis work is to develop titanium dioxide (TiO2) -based electrodes that show high photoactivity in the UV and visible spectrum ranges. To do this, high-current, low-energy electron beam pretreatment (LEHCEB) was applied to the titanium samples. The pre-treatments were carried out with different process parameters (different energies) to verify which of them lead to a greater improvement of the photoelectrochemical properties of the material. The TiO2 electrodes were obtained through a process of DC - Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), using 1.5 M sulfuric acid (H2SO4) as electrolyte, a temperature of 0 ° C and a variable potential (120, 150 and 180 V). This last parameter was varied to obtain oxides with different characteristics and morphologies that could, therefore, show different photocatalytic properties between them. The samples were then subjected to polychromatic and monochromatic irradiation both in the visible and in the UV range and characterized by linear voltammetry, under polychromatic and monochromatic irradiation both in the visible and in the UV range, in order to be able to determine the photocurrent values. Furthermore, they were then analyzed by XRD, SEM and EDS analysis in order to study the changes in terms of morphology, chemical composition and crystalline composition caused by the different process parameters of the PEO and of the applied LEHCEB pretreatment. From the data obtained, it was observed that only in some pre-treatment conditions, in particular at 15 kV and 25 pulses, there was an increase in photoactivity, both in the visible and in the UV, compared to titanium dioxide as it is; in the remaining conditions, in fact, it remains the same or even undergoes a slight decrease. However, further studies will be needed to better investigate the correlation between the LEHCEB pretreatment and the effects on the photocatalytic activity of the titanium dioxide films obtained through PEO.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare degli elettrodi a base di biossido di titanio (TiO2) che mostrino una elevata fotoattività negli intervalli di spettro dell’UV e del visibile. Per fare ciò, ai campioni di titanio è stato applicato il pretrattamento a fascio di elettroni ad alta corrente e a bassa energia (LEHCEB). I pretrattamenti sono stati effettuati con diversi parametri di processo (diverse energie) per verificare quali di essi portino ad un miglioramento maggiore delle proprietà fotoelettrochimiche del materiale. Gli elettrodi di TiO2 sono stati ottenuti tramite un processo di DC – Ossidazione elettrolitica al plasma (PEO), utilizzando acido solforico 1,5 M (H2SO4) come elettrolita, una temperatura di 0°C e un potenziale variabile (120, 150 e 180 V). Quest’ultimo parametro è stato variato per ottenere ossidi con caratteristiche e morfologie diverse che potessero, quindi, mostrare differenti proprietà fotocatalitiche tra loro. I campioni sono stati quindi sottoposti ad irraggiamento policromatico e monocromatico sia nel campo del visibile che nell'UV e caratterizzati mediante voltammetria lineare, sotto irraggiamento policromatico e monocromatico sia nel campo del visibile che nell'UV, per poterne determinare i valori di fotocorrente. Inoltre, essi sono stati poi analizzati mediante analisi XRD, SEM ed EDS per poter studiare i cambiamenti in termini di morfologia, composizione chimica e composizione cristallina causati dai diversi parametri di processo della PEO e del pretrattamento LEHCEB applicato. Dai dati ottenuti si è osservato come solo in alcune condizioni di pretrattamento, in particolare a 15 kV e 25 impulsi, si è verificato un aumento della fotoattività, sia nel visibile sia nell’UV, rispetto al biossido di titanio tal quale; nelle restanti condizioni, infatti, essa rimane uguale o subisce addirittura una leggera diminuzione. Saranno comunque necessari ulteriori studi per approfondire meglio la correlazione tra il pretrattamento LEHCEB e gli effetti sull’attività fotocatalitica dei film di biossido di titanio ottenuti tramite PEO.