Ученые из университета Южной Калифорнии предложили нанести золотую пленку толщиной 5 нм на поверхность анатаза, полученного электрохимическим окислением титановой фольги. Полученная гетероструктура продемонстрировала пятикратный рост фототока при облучении в видимом диапазоне (λ = 532 нм) и четырехкратное падение фототока при облучение в УФ-диапазоне (λ = 254 нм). Гораздо более значительного роста (66Х) удалось достичь при облучении еще более длиноволновым излучением (λ = 633 нм), чья энерегия существенно ниже ширины запрещенной зоны в анатазе (1,96 эВ против 3,2 эВ).

Все мы прекрасно знаем, что Солнце – практически не иссякаемый источник энергии, способный полностью удовлетворить потребности населения нашей планеты (энергия Солнца достигающая поверхности земли в час соизмерима с суммарным годовым потреблением землян). Начиная с 70-ых годов особый интерес вызывает фотокаталитическое расщепление воды как перспективный источник получения водорода, однако во всех предложенных к настоящему времени методах поглощение света происходит в УФ-диапазоне.

Рис. 1. Фототок анатаза с и без нанесения золотой пленки при облучении светом с длинами волн 254 нм и 532 нм.

Ученые из университета Южной Калифорнии предложили нанести золотую пленку толщиной 5 нм на поверхность анатаза, полученного электрохимическим окислением титановой фольги. Полученная гетероструктура продемонстрировала пятикратный рост фототока при облучении в видимом диапазоне (λ = 532 нм) и четырехкратное падение фототока при облучение в УФ-диапазоне (λ = 254 нм). Гораздо более значительного роста (66Х) удалось достичь при облучении еще более длиноволновым излучением (λ = 633 нм), чья энерегия существенно ниже ширины запрещенной зоны в анатазе (1,96 эВ против 3,2 эВ). Как же можно объяснить такой аномальный рост фототока при облучении в видимом диапазоне?

Рис. 2. Фототок анатаза с и без нанесения золотой пленки при облучении светом с длиной волны 633 нм.

До сих пор большинство исследователей склонялось к механизму переноса заряда от наночастиц золота на анатаз. Однако такой механизм маловероятен, т.к. запрещенная зона анатаза выше по энергии, чем уровень Ферми золота, поэтому перенос заряда энергетически невыгоден. Куда более вероятно, что причиной такого аномального роста фототока является локальное усиление электрического поля поверхностными плазмонами, что в купе с сильной дефектностью TiO₂ и малым размером зерен (а следовательно, весьма ограниченной диффузионной длиной неосновых носителей заряда – 10 нм) приводит к столь значительному росту фототока, т.к. свой вклад в каталитическое расщепление воды будут вносить только фотоны, поглощенные в 10 нм поверхностном слое анатаза.

Рис. 3. Интенсивность электрического поля на границе золото-анатаз, рассчитанная с помощью FDTD-метода (finite-difference time-domain).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Zuwei Liu, Wenbo Hou, Prathamesh Pavaskar, Mehmet Aykol, and Stephen B. Cronin Plasmon Resonant Enhancement of Photocatalytic Water Splitting Under Visible Illumination. – Nano Lett. – 2011. – 11 (3). – pp. 1111–1116; Publication Date (Web): February 14, 2011.