Effect of SnO2 Porous Structure on Its Optical and Photoelectrochemical Properties in Water and Water-Methanol Solutions
Authors: ГРИБОВ Е.Н. , КОШЕВОЙ Е.И. , КУЗНЕЦОВ А.Н. , КОЗЛОВ Д.В. , ПАРМОН В.Н. 
Published: July 2024

Оксид олова – широкозонный полупроводниковый материал, который часто используется в реакциях фотоокисления органических соединений. Однако связь между энергетическими и фотоэлектрокаталитическими свойствами в окислении малых органических молекул еще недостаточно исследованы. В данной работе с использованием гидротермального, золь-гель, а также темплатного методов синтезирована серия оксидов олова. В качестве темплатов применены полистирольные сферы размерами 250 нм, а также цетилтриметиламмоний бромид. Методами рентгенофазового анализа, низкотемпературной адсорбции азота, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния и диффузного отражения исследованы структура и поверхностный состав образцов, оптические и энергетические характеристики. Фотоэлектрохимическими методами определены потенциалы зоны проводимости и валентной зоны и исследованы фототоки в водных и водно-метанольных растворах в зависимости от поляризации электрода. Показано, что метод приготовления (золь-гель или гидротермальный) не влияет на положение энергетических зон, в то время как использование темплата при синтезе приводит к увеличению среднего диаметра пор в образцах и повышению значений фототоков в присутствии метанола. Установлено, что для темплатных образцов величина фототоков в водно-метанольной смеси возрастает с ростом потенциала валентной зоны. Образец, приготовленный гидротермальным методом с использованием темплата, показал наиболее высокие значения фототоков как в фоновом электролите (17.3 мкA/см2), так и в присутствии метанола (26 мкA/см2), по сравнению с образцом, приготовленным без использования темплата в электролите с добавкой (7.6 мкA/см2) и без добавки метанола (7.8 мкA/см2).
Tin oxide is a wide-gap semiconductor material that is widely used in photooxidation reactions of organic compounds. However, the relationship between energetic and photoelectrocatalytic properties in the oxidation of small organic molecules has not yet been sufficiently explored. In this work, a series of tin oxides were synthesized using hydrothermal, sol-gel, and template methods. Polystyrene spheres with a size of 250 nm, as well as cetyltrimethylammonium bromide, were used as templates. X-Ray diffraction, low-temperature nitrogen adsorption, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy and diffuse reflectance spectroscopy methods were used to study the structure, surface composition, optical and energy characteristics. Using photoelectrochemical methods, the potentials of the conduction band and valence band were determined, and photocurrents in aqueous and aqueous-methanol solutions were studied depending on electrode polarization. It is shown that the preparation method (sol-gel or hydrothermal) does not affect the position of energy bands, while the use of a template during synthesis leads to an increase in the average pore diameter in the samples and an increase in photocurrent values in the presence of methanol. It has been established that for template-synthesized samples,the magnitude of photocurrents in a water-methanol mixture increases with an increase in the valence-band potential. The sample prepared by the hydrothermal method using a template showed the highest photocurrent values both in the background electrolyte (17.3 μA/cm2) and in the presence of methanol (26 μA/cm2), compared to the sample prepared without using a template in the electrolyte with the addition of methanol (7.6 μA/cm2) and without it (7.8 μA/cm2).