We investigated the effect of the support on catalytic activity for CO oxidation using platinum nanoparticles on doped and undoped titanium dioxide ($TiO_2$). As a support, the undoped $TiO_2$ was synthesized via the sol-gel process. The thin films were then chemically doped with non-metal anions, such as nitrogen (N) and fluorine (F). Thin films were prepared using the spin coating technique; characterization techniques in particular, XPS analysis of the doped $TiO_2$ thin films revealed that the nitrogen sites were interstitial whereas fluorine was doped substitutionally into $TiO_2$ lattice. The Pt/N-, Pt/F-, and Pt/undoped TiO2 catalysts were fabricated by depositing platinum nanoparticles on N-, F-, and undoped $TiO_2$ thin films using the arc plasma deposition (APD) technique. CO oxidation was carried out to elucidate the catalytic activity of the Pt nanoparticles. The turnover rates of Pt/N-, and Pt/F-doped $TiO_2$ were a factor of ~ 2.5 higher than that of the Pt/undoped $TiO_2$. We attribute the enhanced catalytic activity to oxygen vacancies formed during the doping process and the facile charge transfer at the metal-oxide interfaces.
In the third chapter we fabricated the $TiO_2$ nanotube based Schottky nanodiode for solar energy conversion applications. We controlled and harvested the different wavelengths of the spectrum by tuning the size of metal/ $TiO_2$ nanotube (TNA). TNA with vertically aligned array structures shows substantial advantages in solar cells as electron transport material that offers a large surface area with charge transport along with the length of the nanotubes. Integrating this one-dimensional (1D) semiconductor material with plasmonic metal can influence the solar energy conversion utilizing the generated hot electrons. Here, we fabricated the nanotubes by potentiostatic anodization and devised the plasmonic metal (Au or Ag)/ $TiO_2$ nanodiode architecture. Hot electrons were measured with the plasmonic metal/ $TiO_2$ Schottky diode electrically connected to ohmic contact pads, ensuring a continuous flow of hot electrons. The electrical characteristics of the nanodiode were measured using the I-V curves, photocurrent and incident photon to current conversion efficiency (IPCE) of the diode was obtained as the function of photon energy for detection of the hot electrons. The enhancement of IPCE observed at 2.12 eV was attributed to the hot electrons generated by plasmonic Au on TNA. This was confirmed by the calculated absorbance of Au/TNA at 2.138 eV which is in proximity with the peak obtained from IPCE. This observation represents the enhancement of photocurrent on metal/TNA nanodiode majorly via plasmon induced hot electrons. The quantum efficiencies results of Ag based diodes were more enhanced when compared to the Au based plasmonic diodes. Around tenfold times better efficiencies obtain from the fact that the general criteria of intrinsic near field properties in silver is far superior to the gold plasmonics. Due to the ease of fabrication, large surface area, and stability, plasmonic diodes based on nanotube array can open up a window for efficient and practical applications of solar energy conversion.
플라즈모닉 나노다이오드 기반의 티타늄옥사이드($TiO_2$) 나노튜브배열(TNA)과 같이, 저차원 티타늄 옥사이드 나노구조체는 핫전자 기반에 태양에너지 변환 응용을 위해 제작되었다. 염료를 이용한 태양 전지와는 다르게, 우리는 증폭된 태양광에너지 변환을 보기 위해 1차원 구조체의 양자 효과의 장점을 이용한, 완전 고체상태의 금속/ TNA 나노다이오드를 제작하였다. 입사광 파장과 $TiO_2$ 나노튜브의 직경 크기를 변화시켜주면서 금속 크기와 플라즈모닉peak shift와의 관계에 대해 연구하였다. 전기 화학적 아노다이징 기술을 이용하여 다양한 크기의 나노튜브를 제작하여 나노다이오드를 성공적으로 제작하였다. 금과 은같은 플라즈모닉 금속은 나노다이오드의 활성영역으로 이용되어 왔다. 이 다이오드의 광학 특성으로, 우리는 TNA의 기공 크기 에 따라 플라즈모닉 피크가 명확하게 변한다는 것을 관찰하였다. 이러한 현상을 이용하면 Visible-NIR 영역의 파장의 제어하여 광에너지를 조율할 수 있다. 다이오드 기반TNA의 광전류는 박막 나노다이오드와 비교했을때, 수 백 nA에서 μA로 증폭되었다. Ag/TNA의 입사 광자-전류 변환 효율(IPCE)은 4 %의 효율로 Au/TNA 나노다이오드의 효율보다 10배 더크게 측정되었다. 이 이유는 금보다 은에서의 플라즈모닉 효과가 더 크기때문이다. 따라서, 우리는 본 연구에서 효과적인 태양에너지 변환을 위해, 다양한 플라즈모닉 피크를 조율하고 제어하는 나노다이오드 기반의TNA를 성공적으로 제작함을 보였다. 2차원 구조체인 $TiO_2$ 는 N, F, 그리고 도핑되지 않은 $TiO_2$ 박막으로 제작되었고 이 물질들은 CO 산화반응의 촉매인 Pt를 지지체로 이용된다. 금속-지지체의 강한 상호작용 현상은 표면의 전기적 활성 반응에 의해 연구되었다. CO 산화 반응의 결과는APD Pt 나노 입자가 N, F 도핑된 $TiO_2$ 지지체에 있을때 도핑되지 않은 T$TiO_2$ 지지체 위에 있을때보다 Pt 나노입자의 반응도가 2~3배 증가하는 것을 볼 수 있었다. 산소 빈자리를 유도하는 N-도핑과, 도핑되지 않은 $TiO_2$ 보다 더 많은 자유전자를 유도하는 F-도핑은 촉매 반응을 증폭시키기에 합당한 메카니즘이다. 본 연구는 도펀트가TiO2 전기적 특성에 어떻게 영향을 주는지와 CO 산화반응의 촉매 반응에 어떤 영향을 주는지를 보였고, 촉매 반응과 핫전자 기반의 태양에너지 에너지 변환 응용 연구를 위한 저차원 나노구조체의 $TiO_2$ 에 대해 연구하였다
