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TiO2 Nanotube Arrays on Flexible Kapton Substrates for Photo-Electrochemical Solar Energy Conversion
ACS Applied Nano Materials ( IF 5.3 ) Pub Date : 2020-12-08 , DOI: 10.1021/acsanm.0c02028 Samba Siva Vadla 1 , Payel Bandyopadhyay 2 , Subish John 1 , Pijush Ghosh 2 , Somnath C. Roy 1
ACS Applied Nano Materials ( IF 5.3 ) Pub Date : 2020-12-08 , DOI: 10.1021/acsanm.0c02028 Samba Siva Vadla 1 , Payel Bandyopadhyay 2 , Subish John 1 , Pijush Ghosh 2 , Somnath C. Roy 1
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This work reports the growth of stable TiO2 nanotube arrays on flexible Kapton substrates by electrochemical anodization of a sputtered Ti (titanium) film. Although such nanotubes are conventionally fabricated on Ti foils, obtaining these on polymer-based flexible substrates remained a challenge because of higher annealing temperature not compatible with thermal stability of the substrates. Here, we demonstrate the fabrication of TiO2 nanotubes (1.5 μm long and 80 nm diameter) by anodization of the Ti film deposited using the RF sputtering technique at two different substrate temperatures (room temperature and 300 °C). Nanoindentation and nanoscratch techniques reveal better adhesion of the Ti film with an underlying Kapton substrate for 300 °C deposition temperature. Such investigations reveal a more than twofold enhancement of the “rear pileup” for the Ti film deposited at elevated temperature compared to that at room temperature. The amorphous TiO2 nanotubes are crystallized at 220 °C for 3 h using a solvothermal technique that allows crystallization at temperatures much lower than the annealing temperature. Application of these nanotubes for photo-electrochemical water splitting reveals a photocurrent density of 18 μA/cm2 under AM 1.5 G conditions. Furthermore, the charge density and flat band potential (VFB) are calculated from Mott–Schottky analysis, showing features comparable to the TiO2 nanotubes on the Ti foil crystallized through thermal annealing. The present work establishes a scalable approach for developing TiO2 nanotube arrays on the flexible substrate and its use for photo-electrochemical solar energy conversion.
中文翻译：
用于光电化学太阳能转换的柔性Kapton基板上的TiO 2纳米管阵列
这项工作报告了通过溅射Ti（钛）膜的电化学阳极氧化在柔性Kapton基板上生长稳定的TiO 2纳米管阵列。尽管此类纳米管通常在Ti箔片上制造，但是由于聚合物的柔性基板上的退火温度较高，因此在聚合物基柔性基板上获得纳米管仍然是一个挑战。在这里，我们演示了TiO 2的制备通过在两个不同的基板温度（室温和300°C）下使用RF溅射技术对沉积的Ti膜进行阳极氧化处理，制成纳米管（长1.5μm，直径80 nm）。纳米压痕和纳米划痕技术表明，在300°C的沉积温度下，Ti膜与下面的Kapton衬底之间的附着力更好。这些研究表明，与在室温下沉积的Ti膜相比，在高温下沉积的Ti膜的“后堆积”提高了两倍以上。非晶态TiO 2纳米管使用溶剂热技术在220°C结晶3小时，该技术允许在远低于退火温度的温度下结晶。这些纳米管在光电化学水分解中的应用显示出18μA/ cm 2的光电流密度在AM 1.5 G条件下。此外，通过Mott–Schottky分析计算出电荷密度和平坦带电势（V FB），显示出的特征与通过热退火结晶的Ti箔上的TiO 2纳米管相当。本工作建立了可扩展的方法，用于在柔性基板上开发TiO 2纳米管阵列及其在光电化学太阳能转换中的用途。
更新日期：2020-12-24
中文翻译：
用于光电化学太阳能转换的柔性Kapton基板上的TiO 2纳米管阵列
这项工作报告了通过溅射Ti（钛）膜的电化学阳极氧化在柔性Kapton基板上生长稳定的TiO 2纳米管阵列。尽管此类纳米管通常在Ti箔片上制造，但是由于聚合物的柔性基板上的退火温度较高，因此在聚合物基柔性基板上获得纳米管仍然是一个挑战。在这里，我们演示了TiO 2的制备通过在两个不同的基板温度（室温和300°C）下使用RF溅射技术对沉积的Ti膜进行阳极氧化处理，制成纳米管（长1.5μm，直径80 nm）。纳米压痕和纳米划痕技术表明，在300°C的沉积温度下，Ti膜与下面的Kapton衬底之间的附着力更好。这些研究表明，与在室温下沉积的Ti膜相比，在高温下沉积的Ti膜的“后堆积”提高了两倍以上。非晶态TiO 2纳米管使用溶剂热技术在220°C结晶3小时，该技术允许在远低于退火温度的温度下结晶。这些纳米管在光电化学水分解中的应用显示出18μA/ cm 2的光电流密度在AM 1.5 G条件下。此外，通过Mott–Schottky分析计算出电荷密度和平坦带电势（V FB），显示出的特征与通过热退火结晶的Ti箔上的TiO 2纳米管相当。本工作建立了可扩展的方法，用于在柔性基板上开发TiO 2纳米管阵列及其在光电化学太阳能转换中的用途。
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