Синтез та характеристики TiO 2 , допованого йонами нітрогену та цирконію, для застосування у фотокаталізі

O. P. Linnik

doi:10.15407/hftp07.04.453

Синтез та характеристики TiO₂, допованого йонами нітрогену та цирконію, для застосування у фотокаталізі

DOI: https://doi.org/10.15407/hftp07.04.453

O. P. Linnik

Анотація

Тонкі плівки діоксиду титану, допованого йонами нітрогену та цирконію, були одержані золь-гель методом та методом лазерного переосадження. Показано, що оптичні властивості залежать від складу плівки та типу інкорпорованого нітрогену. Хімічний стан неметалу в структурі напівпровідника залежить від наявності йонів цирконію, як показано рентгено-фотоелектронною спектроскопією. Введення йонів нітрогену або цирконію в структуру діоксиду титану позитивно впливає на фотокаталітичну активність під УФ та видимим світлом у випадку золь-гель плівок. Однак, наявність йонів як нітрогену, так і цирконію сприяє підвищенню активності під УФ світлом, а модифікування тільки нітрогеном призводить до покращення фотокаталітичних властивостей під видимим світлом плівок, синтезованих методом лазерного переосадження.

Ключові слова

нітрогенвмісний діоксид титану; йони цирконію; золь-гель метод; метод лазерного переосадження

Повний текст:

Посилання

1. Fujishima A., Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature. 1972. 238: 37. https://doi.org/10.1038/238037a0

2. Czoska A.M., Livraghi S., Chiesa M., Giamello E., Agnoli S., Granozzi G., Finazzi E., Di Valentin C., Pacchioni G. The nature of defects in Fluorine-doped TiO₂. J. Phys. Chem. C. 2008. 112(24): 8951. https://doi.org/10.1021/jp8004184

3. Linnik O., Kisch H. On the mechanism of nitrogen fixation at nanostructured iron titanate films. Photochem. Photobiol. Sci. 2006. 5: 938. https://doi.org/10.1039/b608396j

4. Asahi R., Morikawa T., Ohwaki T. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium dioxide. Science. 2001. 293(5528): 269. https://doi.org/10.1126/science.1061051

5. IrieH., WatanabeY., HashimotoK. Nitrogen-concentration dependence on photocatalyticactivity of TiO_2-xN_x powders. J. Phys. Chem. B. 2003. 107(23): 5483. https://doi.org/10.1021/jp030133h

6. Serpone N. Is the band gap of pristine TiO₂ narrowed by anion- andcation-doping of titanium dioxide in second-generation photocatalysts. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(48): 24287. https://doi.org/10.1021/jp065659r

7. Yin S., Ihara K., Aita Y.M., Sato K.T. Visible-light induced photocatalytic activity of TiO_2−xA_y (A = N, S) prepared by precipitation route. J. Photochem. Photobiol. A. 2006. 179(1–2): 105. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2005.08.001

8. Kobayakawa K., Murakami Y., Sato Y. Visible-light active N-doped TiO₂ prepared by heating of titanium hydroxide and urea. J. Photochem. Photobiol. A. 2005. 170(2):177. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.07.010

9. Cong Y., Zhang J., Chen F., Anpo M. Synthesis and characterization of nitrogen-doped TiO₂ nanophotocatalyst with high visible light activity. J. Phys. Chem. C. 2007. 111(19): 6976. https://doi.org/10.1021/jp0685030

10. Huang D., Liao S., Quan S., Liu L., He Z., Wan J., Zhou W. Synthesis and characterization of visible light responsive N-TiO₂ mixed crystal by a modified hydrothermal process. J. Non-Cryst. Solids. 2008. 354(33): 3965. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2008.05.026

11. Beranek R., Kisch H., Beranek R., Kisch H. Tuning the optical and photoelectrochemical properties of surface-modified TiO₂. Photochem. Photobiol. Sci. 2008. 7: 40. https://doi.org/10.1039/B711658F

12. Yuan J., Chen M., Shi J., Shangguan W. Preparation and photocatalytic hydrogen evolution of N-doped TiO₂ from urea and titanium tetrachloride. Int. J. Hydrogen Energy. 2006. 31(10): 1326. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.11.016

13. Bacsa R., Kiwi J., Ohno T., Albers P., Nadtochenko V. Preparation, testing and characterization of doped TiO₂ active in the peroxidation of biomolecules under visible light. J. Phys.Chem. B. 2005. 109(12): 5994 – 6003. https://doi.org/10.1021/jp044979c

14. Di V.C., Finazzi E., Pacchioni G., Selloni A., Livraghi S., Paganini M.C., Giamello E. N-doped TiO₂: Theory and experiment. Chem. Phys. 2007. 339(1–3): 44.

15. Emeline A.V., Kuznetsov V.N., Rybchuk V.K., Serpone N. Visible-light-active titania photocatalysts: the case of N-doped TiO₂ s-properties and some fundamental issues. Int. J. Photoenergy. 2008. 2008: Article ID 258394.

16. Shestopal N., Linnik O., Smirnova N. Influence of metal and non-metal ions doping on the structural and photocatalytic properties of titania films. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2015. 6(2): 203. https://doi.org/10.15407/hftp06.02.203

17. Fujishima A., Rao T.N., Tryk D.A. Titanium dioxide photocatalysis. J. Photochem. Photobiol. C. 2000. 1(1): 1. https://doi.org/10.1016/S1389-5567(00)00002-2

18. Ristoscu C., Mihailescu I.N. Biomimetic Coatings by pulsed laser deposition, chapter 7. In: «Laser Technology in Biomimetics». Basics and Applications, Series: Biological and Medical Physics, biomedical Engineering. (Springer-Verlag Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2013). P. 163.

19. Mihailescu I.N., Ristoscu C., Bigi A., Mayer I. Advanced biomimetic implants based on nanostructured coatings synthesized by pulsed laser technologies, Chapter 10. In «Laser-Surface Interactions for New Materials Production Tailoring Structure and Properties». Series: Springer Series in Materials Science. V. 130. 2010. P. 235.

20. Mihailescu I.N., Gyorgy E. Pulsed Laser Deposition: An Overview. In: International Trends in Optics and Photonics. (Heidelberg: Springer, 1999). https://doi.org/10.1007/978-3-540-48886-6_13

21. Linnik O., Shestopal N., Smirnova N., Eremenko A., Korduban O., Kandyba V., Kryshchuk T., Socol G., Stefan N., Popescu-Pelin G., Ristoscu C., Mihailescu I.N. Correlation between electronic structure and photocatalytic properties of non-metal doped TiO₂/ZrO₂ thin films obtained by pulsed laser deposition method. Vacuum. 2015.114: 166.

22. Gnatuk Yu., Smirnova N., Korduban O., Eremenko A. Effect of zirconium incorporation onthe stabilization of TiO2 mesoporous structure. Surf. Interface Anal. 2010. 42(6–7): 1276. https://doi.org/10.1002/sia.3494

23. Smirnova N., Gnatyuk Yu., Eremenko A., Kolbasov G., Vorobetz V., Kolbasova I., Linyucheva O. Photoelectrochemical characterization and photocatalytic properties of mesoporous TiO₂/ZrO₂ films. Int. J. Photoenergy. 2006. Article ID 85469: 1.

24. Yang J., Bai H., Jiang Q., Lian J. Visible-light photocatalysis in nitrogen-carbon-doped TiO₂ films obtained by heating TiO₂ gel-film in an ionized N₂ gas. Thin Solid Films. 2008. 516(8): 1736. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.05.034

25. Kisch H., Sakthivel S., Janczarek M., Mitoraj D. A low-band gap, nitrogen-modified titania visible-light photocatalyst. J. Phys. Chem. C. 2007. 111(30): 11445. https://doi.org/10.1021/jp066457y

26. Wang C.T., Wang, Lin J.C. Surface nature of nanoparticle zinc-titanium oxide aerogel catalysts. Appl. Surf. Sci. 2008. 254(15): 4500. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.01.024

27. Alam M.J., Cameron D.C. Preparation and characterisation of TiO₂ thin films by sol-gel method. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2002. 25(2): 137. https://doi.org/10.1023/A:1019912312654

28. Linnik O., Petrik I., Smirnova N., Kandyba V., Korduban O., Eremenko A., Socol G., Stefan N., Ristoscu C., Mihailescu I.N., Sutan C., Malinovski V., Djokic V., Janakovic D. TiO₂/ZrO₂ thin films synthesized by PLD in low pressure N-, C- and/or O-containing gases: structural, optical and photocatalytic properties. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2012. 7(3): 1343.

29. Mitoraj D., Kisch H. On the mechanism of urea-induced titania modification. Chemistry. 2010. 16(1): 261. https://doi.org/10.1002/chem.200901646

30. Chen H., Nambu A., Wen W., Graciani J., Zhong Z., Hanson J.C., Fujita E., Rodriguez J.A. Reaction of NH₃ with Titania: N-doping of the oxide and TiN formation. J. Phys. Chem. C. 2007. 111(3): 1366. https://doi.org/10.1021/jp066137e

31. Gnatyuk Yu., Smirnova N., Eremenko A., Ilyinl V. Design and photocatalytic activity of mesoporous TiO₂/ZrO₂ thin films. Adsorp. Sci. Technol. 2005. 23(6): 4978. https://doi.org/10.1260/026361705774859893

32. DiValentin C., Pacchioni G., Livraghi S.A.S., Giamello E. Characterization of paramagnetic species in N-doped TiO₂ powders by EPR spectroscopy and DFT calculations. J. Phys. Chem. B. 2005. 109(23):11414. https://doi.org/10.1021/jp051756t

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)