フォトボール誘発性二酸化チタンの腐食：メカニズムと溶液

二酸化チタン（TIO2）は、最も安定した光アノード材料の1つであると考えられているため、水酸化の光アノードとして広く調査されています。しかし、驚くべきことに、TiO2フォトアノード（ルチルナノワイヤ、アナタゼナノチューブ、およびp25ナノ粒子フィルム）が、ニュートラル（Na2SO4）および塩基性（KOH）電解質溶液における実質的な光電流崩壊に苦しんでいることがわかりました。光電気化学的測定は、rutile Tio2ナノワイヤ光アノードで行われた電子顕微鏡研究を伴うトージーターを示しています。光電流減衰は、水酸化誘導腐食によるものであり、水酸化反応と競合しています。さらなる研究により、ニュートラルおよび基本的なソリューションにおける光電流減衰プロファイルは根本的に異なることが明らかになりました。特に、ナノワイヤ表面の構造再構成は、KOH溶液中のTiO2の腐食と同時に発生し、その結果、光腐食が遅くなる水酸化チタンのアモルファス層が形成されます。この発見に基づいて、TiO2光アノードの光電気化学的安定性は、ナノワイヤ表面の水酸化チタンのアモルファス層を意図的にコーティングすることにより、大幅に改善できることを実証します。前処理されたTiO2光オノードは、KOH溶液で72時間テストした後、97％の優れた光電流保持率を示しますが、比較して、同じ測定条件下で12時間で光電流の10-20％を失いました。この作業は、裸のTiO2フォトアノードの光電気化学的安定性を理解するための新しい洞察を提供します。

Titanium dioxide (TiO2) has been extensively investigated as photoanode for water oxidation, as it is believed to be one of the most stable photoanode materials. Yet, we surprisingly found that TiO2 photoanodes (rutile nanowire, anatase nanotube, and P25 nanoparticle film) suffered from substantial photocurrent decay in neutral (Na2SO4) as well as basic (KOH) electrolyte solution. Photoelectrochemical measurements togehter with electron microscopy studies performed on rutile TiO2 nanowire photoanode show that the photocurrent decay is due to photohole induced corrosion, which competes with water oxidation reaction. Further studies reveal that photocurrent decay profile in neutral and basic solutions are fundamentally different. Notably, the structural reconstruction of nanowire surface occurs simultaneously with the corrosion of TiO2 in KOH solution resulting in the formation of an amorphous layer of titanium hydroxide, which slows down the photocorrosion. Based on this discovery, we demonstrate that the photoelectrochemical stability of TiO2 photoanode can be significantly improved by intentionally coating an amorphous layer of titanium hydroxide on the nanowire surface. The pretreated TiO2 photaonode exhibits an excellent photocurrent retention rate of 97% after testing in KOH solution for 72 h, while in comparison the untreated sample lost 10-20% of photocurrent in 12 h under the same measurement conditions. This work provides new insights in understanding of the photoelectrochemical stability of bare TiO2 photoanodes.