Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (4), 377-388.

Вплив модифікування діоксиду титану сіркою та вуглецем на його фізико-хімічні і фотокаталітичні властивості



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.377

M. V. Shapovalova, T. A. Khalyavka, O. Y. Khyzhun, N. D. Shcherban, V. V. Permyakov, S. N. Scherbakov

Анотація


Отримано нанокомпозитні матеріали на основі TiO2, доповані сіркою (S/TiO2), вуглецем (C/TiO2), вуглецем і сіркою (S/C/TiO2). Порошки охарактеризовано методами РФА, РФЕС, BET, СEM, ЕДС, TEM і УФ та видимою спектроскопією. За допомогою методів РФЕС та ЕДС показано, що порошок діоксиду титану містить тільки елементи Ti і O, композити C/TiO2 містять елементи Ti, O, C, композити S/TiO2 - Ti, O, S і композити C/S/TiO2 – Ti, O, C і S.

Ренгенофазовий аналіз виявив наявність фази анатазу в усіх композитах, поява рутилу зафіксована лише зі збільшенням кількості сірки в сірковмісних порошках. Встановлено, що композити складаються з круглястих агломератів розмірами 5–30 мкм. Виявлено, що модифікування сіркою призводить до зменшення розміру часток діоксиду титану з 14 до 9–10 нм в композитах S/TiO2, допування вуглецем призводить до збільшення розміру частинок від 14 до 19 нм, а одночасне модифікування діоксиду титану вуглецем і сіркою призводить до утворення частинок розміром 7–8 нм.

Аналіз ізотерм сорбції–десорбції азоту для всіх синтезованих зразків показав наявність петлі гістерезису, що свідчить про мезопористу структуру порошків. Ізотерми відповідають IV типу класифікації ІUPAC для мезопористих матеріалів з формою петлі гістерезису H1 для C/TiO2 та H2 для S/TiO2 і C/S/TiO2. Модифікування TiO2 вуглецем та сіркою призводить до збільшення питомої поверхні (в 1.8 разів у випадку C/TiO2, 3.3 рази для S/TiO2 і 4.7 разів для C/S/TiO2), середнього об’єму пор і зменшення радіусa пор порівняно з TiO2.

У спектрах поглинання нанокомпозитів спостерігається батохромний зсув у порівнянні зі смугою поглинання чистого діоксиду титану. Виявлено, що модифікування призводить до звуження ширини забороненої зони. Нанокомпозитні зразки виявили більш високу фотокаталітичну активність у реакції деструкції сафраніну Т при УФ та видимому опроміненні порівняно з чистим TiO2. Це може бути пов’язано з участю допантів в інгібуванні процесу рекомбінації електронів та дірок, продовженням часу життя зарядів, підвищенням ефективності міжфазового розподілу зарядів і формуванням додаткових електронних рівнів.


Ключові слова


нанокомпозити; діоксид титану; вуглець; сірка; сафранін Т; фотокаталітична активність

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Barberio M., Barone P., Imbrogno A., Ruffolo S. A., La Russa M., Arcuri N., Xu F. Study of Dye Absorption in Carbon Nanotube-Titanium Dioxide Heterostructures. J. Chem. Chem. Eng. 2015. 9(5): 245. https://doi.org/10.17265/1934-7375/2015.04.002

2. Chorna N., Smirnova N., Vorobets V., Kolbasov G., Linnik O. Nitrogen doped iron titanate films: photoelectrochemical, electrocatalytic, photocatalytic and structural features. Appl. Surf. Sci. 2019. 473(15): 343. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.12.154

3. 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

4. Park Y., Kim W., Park H., Tachikawa T., Majima T., Choi W. Carbon-doped TiO2 photocatalyst synthesized without using an external carbon precursor and the visible light activity. Appl. Catal. B. 2009. 91: 355. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2009.06.001

5. Wang Sh., Zhao L., Bai L., Yan J., Jiang Q., Lian J. Enhancing photocatalytic activity of disorder engineered C/TiO2 and TiO2 nanoparticles. J. Mater. Chem. A. 2014. 2: 7439. https://doi.org/10.1039/C4TA00354C

6. Bondarenko M., Khalyavka T., Melnyk A., Camyshan S., Panasuk Ya. Paramagnetic and Photocatalytic Properties of C-S Co-Doped TiO2 Nanocatalysts. J. Nano- Electron. Phys. 2018. 10(6): 06039-1. https://doi.org/10.21272/jnep.10(6).06039

7. Ansón-Casaos A., Tacchini I., Unzue A., Martínez M. Combined modification of a TiO2 photocatalyst with two different carbons forms. Appl. Surf. Sci. 2013. 270: 675. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.01.120

8. Lin C., Song Y., Cao L., Chen Sh. Effective photocatalysis of functional nanocomposites based on carbon and TiO2 nanoparticles. Nanoscale. 2013. 5(11): 4986. https://doi.org/10.1039/c3nr01033c

9. Yuan L., Wei X., Martinez J.P., Yu C., Panahi N., Gan J.B., Zhang Y., Gan Y.X. Reaction Spinning Titanium Dioxide Particle-Coated Carbon Fiber for Photoelectric Energy Conversion. Fibers. 2019. 7(5): 49. https://doi.org/10.3390/fib7050049

10. Bondarenko M., Khalyavka T., Petrik I., Camyshan S. Photocatalytic activity of TiO2-C nanocomposites in the oxidation of Safranin T under UV and visible light. Theor. Exp. Chem. 2018. 54(1): 40. https://doi.org/10.1007/s11237-018-9543-0

11. Khalyavka T., Bondarenko M., Shcherban N., Petrik I., Melnik A. Effect of the C and S additives on structural, optical and photocatalytic properties of TiO2. Appl. Nanosci. 2018. 8(46): 1. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0838-1

12. Lei X., Xue X., Yang H., Chen C., Li X., Pei J., Niu M., Yang Y., Gao X. Visible light-responded C, N and S co-doped anatase TiO2 for photocatalytic reduction of Cr(VI). J. Alloys Compd. 2015. 646: 541. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.233

13. Yang G., Yan Z., Xiao T. Low-temperature solvothermal synthesis of visible-light-responsive S-doped TiO2 nanocrystal. Appl. Surf. Sci. 2012. 258(8): 4016. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.12.092

14. Patent 1639892 SU. MKI, B22F9/02, 9/14 (Buleten No 16). Trikhleb V., Strelko V.V. Method of production of micro-, mesoporous carbon adsorbent. 2016. [in Ukrainian].

15. Rajagopal S., Nataraj D., Khyzhun O.Yu., Djaoued Y., Robichaud J., Senthil K., Mangalaraj D. Systematic synthesis and analysis of change in morphology, electronic structure and photoluminescence properties of pyrazine intercalated MoO3 hybrid nanostructures. Cryst. Eng. Comm. 2011. 13(7): 2358. https://doi.org/10.1039/c0ce00303d

16. HenrichV.E., CoxP.A. The Surface Science of Metal Oxides. (Cambridge: Cambridge University Press, 1994).

17. Khyzhun O., Solonin Y., Dobrovolsky V. Electronic structure of hexagonal tungsten trioxide: XPS, XES, and XAS studies. J. Alloys Compd. 2001. 320(1): 1. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(00)01454-7

18. Ivanov S., Barylyak A., Besaha K., Bund A., Bobitski Y., Wojnarowska-Nowak R., Yaremchuk I., Kus-Liśkiewicz M. Synthesis, Characterization, and Photocatalytic Properties of Sulfur- and Carbon-Codoped TiO2 Nanoparticles. Nanoscale. Res. Lett. 2016. 11(1): 140. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1353-5

19. Rockafellow E., Stewart L., Jenks W.S. Is sulfur-doped TiO2 an effective visible light photocatalyst for remediation? Appl. Catal. B. 2009. 91: 554. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2009.06.027

20. Colon G., Hidalgo M.C., Munuera G., Ferino I., Cutrufello M.G., Navio J.A. Cu-doped TiO2 systems with improved photocatalytic activity. Appl. Catal. B. 2006. 67(1-2): 41. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2006.03.019

21. Yu J.C., Ho W., Yu J., Yip H., Wong P.K., Zhao J. Efficient Visible-Light-Induced Photocatalytic Disinfection on Sulfur-Doped Nanocrystalline Titania. Environ. Sci. Technol. 2005. 39(4): 1175. https://doi.org/10.1021/es035374h

22. Ohno T., Akiyoshi M., Umebayashi T., Asai K., Mitsui T. Photocatalytic Activity of S-Doped TiO2 Photocatalyst Under Visible Light. Chem. Lett. 2003. 32(4): 364. https://doi.org/10.1246/cl.2003.364

23. Wagner C.D., Riggs W.M., Davis L.E., Moulder J.F., Muilenberg G.E. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. (Perkin-Elmer, Co., Minnesota, 1979).

24. Wu Z., Dong F., Zhao W., Wang H., Liu Y., Guan B. The fabrication and characterization of novel carbon doped TiO2 nanotubes, nanowires and nanorods with high visible light photocatalytic activity. Nanotechnol. 2009. 20(23): 235701. https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/23/235701

25. Palanivelu K., Im J.S., Lee Y.-S. Carbon Doping of TiO2 for Visible Light Photo Catalysis - A review. Carbon Lett. 2007. 8(3): 214. https://doi.org/10.5714/CL.2007.8.3.214

26. Peng W., Li H., Liu Y., Song S. Adsorption of methylene blue on graphene oxide prepared from amorphous graphite: Effects of pH and foreign ions. J. Mol. Liq. 2016. 221: 82. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.05.074

27. Bondarenko M.V., Khalyavka T.A., Shcherban N.D., Tsyba N.N. Mesoporous Nanocomposites Based on Titanium Dioxide and Carbon as Perspective Photocatalysts for Water Purification. Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii. 2017. 15(1): 99.

28. Gu D.E., Lu Y., Yang B.C., Hu Y.D. Facile preparation of micro-mesoporous carbon-doped TiO2 photocatalysts with anatase crystalline walls under template-free condition. Chem. Commun. 2008. 21: 2453. https://doi.org/10.1039/b800596f

29. Dubey P.K., Tripathi P., Tiwari R.S., Sinha A.S.K., Srivastava O.N. Synthesis of reduced graphene oxide-TiO2 nanoparticle composite systems and its application in hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy. 2014. 39(29): 16282. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.104

30. Li X., Xiong R., Wei G. Preparation and photocatalytic activity of nanoglued Sn-doped TiO2. J. Hazard. Mater. 2009. 164(2-3): 587. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.08.069

31. Devi L.G., Kavitha R. Enhanced photocatalytic activity of sulfur doped TiO2 for the decomposition of phenol: a new insight into the bulk and surface modification. Mater. Chem. Phys. 2014. 143(3): 1300. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.11.038

32. Huang W.F., Chen H.T., Lin M.C. Density functional theory study of the adsorption and reaction of H2S on TiO2 rutile (110) and anatase (101) surfaces. J. Phys. Chem. C. 2009. 113(47): 20411. https://doi.org/10.1021/jp906948a

33. Zhang F., Wang M., Zhu X., Hong B., Wang W., Qi Z., Xie W., Ding J., Bao J., Sun S., Gao C. Effect of surface modification with H2S and NH3 on TiO2 for adsorption and photocatalytic degradation of gaseous toluene. Appl. Catal. B. 2015. 170-171: 215. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.01.045

34. Fu X.L., Long J.L., Wang X.X., Leung D.Y.C., Ding Z.X., Wu L., Zhang Z.Z., Li Z.H., Fu X.Z. Photocatalytic reforming of biomass: A Systematic study of hydrogen evolution from glucose solution. Int. J. Hydrogen Energy. 2008. 33(22): 6484. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.07.068

35. Shaban Y.A., El Maradny A.A., Al Farawati R.Kh. Photocatalytic removal of polychlorinated biphenyls (PCBs) using carbon-modified titanium oxide nanoparticles. Appl. Surf. Sci. 2016. 328: 114. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.001




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.377

Copyright (©) 2019 M. V. Shapovalova, T. A. Khalyavka, O. Y. Khyzhun, N. D. Shcherban, V. V. Permyakov, S. N. Scherbakov