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Plasmonic Au–TiO2 Nanowire/Nanotube Heterostructures for Multifunctional Photocatalysis: Dye and Pesticide Degradation, Water Splitting, and Antibacterial Activity

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作者
Ngo Ngoc Uyen,Nguyen Chi Toan,Nguyen Tam Nguyen Truong,Ly Anh Tu,Phuoc Huu Le
出处
期刊:Nanoscale advances [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d5na00765h
摘要

Methylene blue (MB) and pesticide residues in wastewater pose serious environmental and health concerns. In this study, TiO2 nanowires grown on nanotube arrays (TNWs/TNAs) and their Au nanoparticle-decorated counterparts (Au-TNWs/TNAs) were fabricated for multifunctional applications, including photocatalytic degradation, photoelectrochemical (PEC) water splitting, and antibacterial activity. TNWs/TNAs were synthesized via anodization, followed by the deposition of ∼19.5 nm Au nanoparticles (6.8-8.7 at%) using Turkevich synthesis and immersion methods. Both films exhibited uniform morphology with anatase-phase TiO2. Photocatalytic performance was evaluated under UV-vis light (100 mW cm-2) by monitoring the degradation kinetics of MB and four common pesticides-dimethoate (DMT), methiocarb (MTC), carbofuran (CBF), and carbaryl (CBR)-using LC-MS/MS. Au-TNWs/TNAs demonstrated significantly enhanced degradation rate constants (k): 10.41 × 10-3 min-1 for MB, and 19.8, 18.8, 83.0, and 8.73 × 10-2 min-1 for DMT, CBF, MTC, and CBR, respectively, representing 1.2-1.46× improvements over pristine TNWs/TNAs. These enhancements are attributed to the localized surface plasmon resonance (LSPR) effect of Au, which improves visible-light absorption and charge separation. For PEC performance, Au-TNWs/TNAs achieved a high and stable photocurrent density of 0.51 mA cm-2 under UV-vis illumination (100 mW cm-2), representing an ∼70% enhancement compared to the pristine TNWs/TNAs. Additionally, the Au-TNWs/TNAs demonstrated strong antibacterial activity, achieving an E. coli inhibition rate of 61.6% under dim laboratory light and up to 99.9% under low-intensity UV-vis irradiation (6.3 mW cm-2). These findings highlight the potential of plasmon-enhanced Au-TiO2 nanowire/nanotube heterostructures as versatile nanomaterials for integrated applications in dye and pesticide photodegradation, PEC water splitting and antimicrobial control.
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