Synthesis and characterization of TiO2 photoanodes by pulsed unipolar plasma electrolytic oxidation

The pollution of water has become a significant hazard for human health. Contamination in wastewaters includes persistent contaminants capable of bioaccumulation and resistant to conventional water treatment technologies. Therefore, advanced technologies including electrochemical oxidation, photocatalysis and photoelectrocatalysis (PEC) have been developed for water remediation. Titanium dioxide (TiO2) emerged among several alternatives as a promising photoanode material owing to its relatively low cost, natural abundance, chemical and photochemical stability, and catalytic activity. Plasma electrolytic oxidation (PEO) represents a suitable method for the production of TiO2 layers on titanium substrates characterized by high active surface area, chemical stability and photoactivity. In this work TiO2 samples were synthesized by pulsed unipolar PEO to evaluate the effect of synthesis parameters (pulsed frequency and pulse duration) on the photoelectrochemical activity of the photoactive materials. Morphological, compositional and electrochemical characterizations were carried out to investigate the structure of the oxide layer and to evaluate its correlation with the photoelectrochemical behaviour. In particular, scanning electron microscopy (SEM), glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) and x-ray diffraction (XRD) were employed to analyse the morphology, the thickness and the crystalline composition of the oxide layers. Linear sweep voltammetry (LSV), chronoamperometry (CA), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) were conducted to investigate the electrochemical behaviour of the samples. Finally, PEC performance of TiO2 samples was evaluated by decolorization of a model naphthol blue black aqueous solution.

L'inquinamento delle acque è diventato un pericolo significativo per la salute umana. La contaminazione nelle acque reflue include contaminanti persistenti capaci di bioaccumulo e resistenti alle tecnologie convenzionali di trattamento delle acque. Pertanto, sono state sviluppate tecnologie avanzate, tra cui ossidazione elettrochimica, fotocatalisi e fotoelettrocatalisi (PEC), per la bonifica delle acque. Il biossido di titanio (TiO2) è emerso tra diverse alternative come un promettente materiale per la produzione di fotoanodi grazie al suo costo relativamente basso, all’abbondanza naturale, alla stabilità chimica e fotochimica e all’attività catalitica. L’ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) rappresenta un metodo idoneo per la produzione di strati di TiO2 su substrati di titanio caratterizzati da elevata area superficiale attiva, stabilità chimica e fotoattività. In questo lavoro sono stati prodotti campioni di TiO2 mediante PEO unipolare pulsata per valutare l’effetto dei parametri di sintesi (frequenza e durata degli impulsi) sull’attività fotoelettrochimica dei materiali fotoattivi. Sono state effettuate caratterizzazioni morfologiche, composizionali ed elettrochimiche per investigare la struttura dello strato di ossido e valutarne la correlazione con il comportamento fotoelettrochimico. In particolare, microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia di emissione ottica a scarica a bagliore (GD-OES) e diffrazione a raggi X (XRD) sono state impiegate per analizzare la morfologia, lo spessore e la composizione cristallina degli strati di ossido. Voltammetria a scansione lineare (LSV), cronoamperometria (CA), spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e voltammetria ciclica (CV) sono state condotte per investigare il comportamento elettrochimico dei campioni. Infine, le prestazioni PEC dei campioni di TiO2 sono state valutate mediante decolorazione di una soluzione acquosa modello di naphthol blue black.