Metal oxide heterostructured films with controlled architecture for enhanced photocatalytic properties

Photocatalytic processes possess favourable features that could address the various issues concerning environmental pollution. Among these issues, treatment of polluted water and water splitting for renewable hydrogen production are extensively studied but are still confronted to limitations for achieving high photocatalytic efficiencies that could be suc- cessfully commercialized. Investigations on powder materials have been widely reported for pollutant degradation/water treatment, but difficulties are prevailing in the re-usability of the material. Moreover, there is the need for finding a suitable heterostructured photo- catalyst that could provide better charge kinetics, an ultimate goal in photocatalyst design. Therefore, in this work, we have investigated thin-film based heterostructure photocatalysts, for improving the photocatalytic activity, especially towards pollutant degradation. For this purpose, we have investigated the surface and interfacial properties of semiconductor/semiconductor (p-n type, NiO/ZnO) and metal/semiconductor (metal/n- type, RuO2/ZnO) heterostructures using systematic (step-by-step) interface studies, in order to gain knowledge regarding the influence of ZnO surface cleaning in the interfacial band bending, thereby analyzing the possibilities of their use as photocatalysts. Furthermore, we have explored the electrical, optical and interfacial properties of ZnO nanorods (n-type) with NiO coating (p-type) by varying the NiO deposition parame- ters, to identify an optimized heterostructure. We examined the photocatalytic performance of these films for pollutant (Rhodamine B) degradation. In parallel, we explored the inter- action of water with heterostructured (NiO/ZnO) photocatalysts, to interpret the surface reactions and their influence on interfacial band bending, a strategy for understanding the heterostructured photocatalysts, which was not explored before. Finally, we tested the ZnO nanorod film in an industrial research context for Rho- damine B degradation, to investigate the upscaling perspectives of the materials developed in this project.

Zusammenfassung in Deutsch

Photokatalytische Prozesse sind interessant, um verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Umweltverschmutzung angehen zu können. Unter diesen Themen werden die Behandlung von verschmutztem Wasser und die Wasserspaltung zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff eingehend untersucht. Diese Verfahren sind jedoch immer noch mit Einschränkungen konfrontiert, wie beispielsweise geringen photokatalytischen Wirkungsgraden, die ihre Kommerzialisierung einschränken. Untersuchungen zu Pulvermaterialien für den Schadstoffabbau und die Wasseraufbereitung wurden in großem Umfang durchgeführt. Es bestehen jedoch Schwierigkeiten bei der Wiederverwendbarkeit des Materials. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit, einen geeigneten heterostrukturierten Photokatalysator zu finden, der eine bessere Ladungstransfer-Kinetik liefern könnte, ein Endziel beim Design von Photokatalysatoren. Daher haben wir in dieser Arbeit Dünnschicht-Heterostruktur-Photokatalysatoren untersucht, um die photokatalytische Aktivität, insbesondere gegenüber dem Schadstoffabbau, zu verbessern. Zu diesem Zweck haben wir die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Halbleiter/Halbleiter- (pn-Typ, NiO/ZnO) und Metall/Halbleiter- (Metall/n-Typ, RuO2/ZnO) Heterostrukturen mithilfe systematischen (schrittweisen) Grenzflächenexperimenten untersucht, um Kenntnisse über den Einfluss der ZnO-Oberflächenreinigung auf die Grenzflächenbandbiegung zu gewinnen und dabei die Möglichkeiten ihrer Verwendung als Photokatalysatoren zu analysieren.

Darüber hinaus haben wir die elektrischen, optischen und Grenzflächeneigenschaften von ZnO-Nanostäben (n-Typ) mit NiO-Beschichtung (p-Typ) durch Variation der NiO-Abscheidungsparameter untersucht, um eine optimierte Heterostruktur zu identifizieren. Wir untersuchten die photokatalytische Leistung dieser Filme für den Abbau von Schadstoffen (Rhodamin B). Parallel dazu untersuchten wir die Wechselwirkung von Wasser mit heterostrukturierten (NiO/ZnO) Photokatalysatoren, um die Oberflächenreaktionen und ihren Einfluss auf die Bandverbiegung an den Grenzflächen zu interpretieren.

Schließlich haben wir den ZnO-Nanostabfilm in einem industriellen Forschungskontext auf Rhodamin B-Abbau getestet, um die Hochskalierung der in diesem Projekt entwickelten Materialien zu untersuchen.

Schlüsselwörter: Dünnschicht-basierte Photokatalysatoren, eindimensionale Nanostrukturen, Heterostrukturen, ZnO, Oberflächenreinigung, NiO/ZnO, RuO2/ZnO, Grenzflächenexperimente, Wasserkontaktstudien, Bandverbiegung, Schadstoffabbau.