Architektonicznie projektowane nanokompozyty półprzewodnikowe do zastosowań fotokatalitycznych i fotoelektrochemicznych

Abstract

Rozprawa dotyczy nanokompozytów półprzewodnikowych projektowanych do fotokatalitycznego oczyszczania wody oraz fotoelektrochemicznej produkcji wodoru. Praca koncentruje się głównie na układach opartych na TiO2, w których TiO2 pełnił rolę fotoaktywnego tlenku, stabilnej powłoki, warstwy ochronnej oraz składnika interfejsu. Dobór metody wytwarzania zależał od architektury danego układu. Obróbkę laserową zastosowano do teksturowania podłoży Si i Ti, natomiast ALD umożliwiło kontrolowane pokrywanie tych powierzchni warstwami TiO2. Elektroprzędzenie wykorzystano w układach membranowych i włóknistych, a tworzenie heterostruktur było ważne w części dotyczącej tlenkowych nanowłókien. Część eksperymentalna obejmowała strukturyzowane i immobilizowane układy, od modyfikowanych powierzchni krzemowych i hybrydowych membran włóknistych po tlenkowe nanowłókna oraz fotoelektrody Ti-TiO2. Wyniki pokazują, że poprawa właściwości zależy nie tylko od składu chemicznego, lecz także od geometrii powierzchni, pułapkowania światła, dostępności powierzchni, jakości interfejsu i transportu ładunku. Rozprawa wskazuje, że wydajne materiały fotoaktywne należy projektować, traktując architekturę, stabilność, separację nośników ładunku i warunki pracy jako powiązane elementy jednego układu funkcjonalnego.

This dissertation deals with semiconductor nanocomposites designed for photocatalytic water purification and photoelectrochemical hydrogen production. The work is centred mainly on TiO2-based systems, where TiO2 was considered not only as a photoactive oxide, but also as a stable coating, protective surface layer, and interface-forming component. The choice of preparation method followed the architecture of each system. Laser processing was used to texture Si and Ti supports, whereas ALD provided controlled TiO2 coating on these non-flat surfaces. Electrospinning was used for the membrane and fibre-based systems, and heterostructure formation was important in the oxide nanofibre part of the work. The experimental part was built around several structured and immobilised systems, moving from modified silicon surfaces and hybrid fibrous membranes to oxide nanofibres and Ti-TiO2 photoelectrodes. The results show that improved performance is controlled not only by chemical composition, but also by surface geometry, light trapping, surface accessibility, interface quality, and charge transport. The dissertation demonstrates that efficient photoactive materials should be designed by treating architecture, stability, charge-carrier separation, and operating conditions as connected elements of one functional system.