Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (4), 398-409.

Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.398

M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun, N. Yu. Ostapovskaya

Анотація


Створення сучасних матеріалів, що забезпечують використання сонячного випромінювання як невичерпного джерела відновлюваної і екологічно чистої енергії – одне з найбільш актуальних завдань матеріалознавства. Наукові дослідження в напрямку вирішення цього важливого завдання показали доцільність використання фотокаталітичних процесів за участю напівпровідникових систем. Один з найбільш відомих каталізаторів діоксид титану TiO2 має фотоактивність тільки в ультрафіолетовій області спектра, що істотно обмежує його використання. Застосування каталізатора на основі недопованого графітоподібного нітриду вуглецю g-C3N4 або композиту g-C3N4/TiO2 дозволяє використовувати тільки частину видимого спектру сонячного випромінювання (з довжиною хвилі менше 460 нм). Встановлено, що допування нітриду вуглецю киснем значно покращує його фотокаталітичні властивості. Таким чином, для підвищення фотокаталітичної активності напівпровідникового фотокаталізатора хорошою стратегією є поєднання O-допованого g-C3N4 (O-g-C3N4) з рутилом TiO2. Новий композитний матеріал O-g-C3N4/TiO2 був синтезований газофазним методом за допомогою осадження O-допованого g-C3N4 на частинкі порошку рутилу в особливих реакційних умовах піролізу меламіну. Отримання бінарного композиту O-g-C3N4/TiO2 було підтверджено різними аналітичними методами, включаючи рентгенівську порошкову дифракцию, інфрачервону спектроскопію з Фур’є-перетворенням, рентгенівську фотоелектронну спектроскопію і спектри дифузного відбиття в ультрафіолетовому та видимому діапазонах. Встановлено, що в спектрах поглинання порошків                   O-g-C3N4/TiO2 спостерігається батохромний зсув довгохвильового краю смуги фундаментального поглинання (до 600 нм) відносно смуги поглинання g-C3N4/TiO2 (~ 460 нм). В результаті фоточутливість    O-g-C3N4/TiO2 спостерігається в значної частини видимої області спектра, а ширина забороненої зони синтезованого продукту становить менше 2.4 еВ проти 2.7 еВ для недопованого g-C3N4 або g-C3N4/TiO2. Одностадійний метод створення гетероперехідної структури – композиту O-g-C3N4/TiO2 може бути використаний як економічно вигідний спосіб уникнути недоліків кожного компонента і реалізувати синергетичний ефект в сприянні генерації і розподілу носіїв заряду, таким чином посилюючи фотокаталітичну активність матеріалу для більш ефективного використання сонячної енергії.


Ключові слова


композит O-g-C3N4/TiO2; О-допований нітрид вуглецю; рутил; фотокаталізатор; меламін; піроліз

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Zhong R., Zhang Z., Luo S., Zhang Z.C., Huang L., Gu M. Comparison of TiO2 and g-C3N4 2D/2D nanocomposites from three synthesis protocols for visible-light induced hydrogen evolution. Catal. Sci. Technol. 2019. 9(1): 75. https://doi.org/10.1039/C8CY00965A

2. Lei J., Chen B., Lv W., Zhou L., Wang L., Liu Y., Zhang J. Inverse opal TiO2/g-C3N4 composite with heterojunction construction for enhanced visible light-driven photocatalytic activity. Dalton Trans. 2019. 48(10): 3486. https://doi.org/10.1039/C8DT04496A

3. Chen X., Wei J., Hou R., Liang Y., Xie Z., Zhu Y., Zhang X., Wang H. Growth of g-C3N4 on mesoporous TiO2 spheres with high photocatalytic activity under visible light irradiation. Appl. Catal., B. 2016. 188: 342. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.02.012

4. Li H., Wu X., Yin S., Katsumata K., Wang Y. Effect of rutile TiO2 on the photocatalytic performance of g-C3N4/brookite-TiO2-xNy photocatalyst for NO decomposition. Appl. Surf. Sci. 2017. 392: 531. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.09.075

5. Wen J., Xie J., Chen X., Li X. A review on g-C3N4-based photocatalysts. Appl. Surf. Sci. 2017. 391: 72. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.030

6. Grodzyuk G.Ya., Shvalagin V.V., Andryushina N.S., Panasiuk Ya.V., Korzhak G.V., Kuchmy S.Ya., Skoryk N.A. Carbon nitride nanocomposites with layered niobates as photocatalysts for hydrogen evolution from aqueous solutions of organic acids by the action of visible light. Theor. Exp. Chem.. 2018. 54(2): 99. https://doi.org/10.1007/s11237-018-9552-z

7. Andryushina N., Shvalagin V., Korzhak G., Grodzyuk G., Kuchmiy S., Skoryk M. Photocatalytic evolution of H2 from aqueous solutions of two-component electron-donor substrates in the presence of g-C3N4 activated by heat treatment in the KCl + LiCl melt. Appl. Surf. Sci. 2019. 475: 348. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.12.287

8. Li J., Shen B., Hong Z. A facile approach to synthesize novel oxygen-doped g-C3N4 with superior visible-light photoreactivity. Chem. Commun. 2012. 48(98): 12017. https://doi.org/10.1039/c2cc35862j

9. Yang L.Q., Huang J.F., Shi L., Cao L.Y., Yu Q., Jie Y.N., Fei J., Ouyang H.B., Ye J.H. A surface modification resultant thermally oxidized porous g-C3N4 with enhanced photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal. B. 2017. 204: 335. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.11.047

10. Huang Z.F., Song J., Pan L., Wang Z., Zhang X., Zou J.J. Carbon nitride with simultaneous porous network and O-doping for efficient solar-energy-driven hydrogen evolution. Nano Energy. 2015. 12: 646. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.01.043

11. Qu X., Hu S., Bai J., Li P., Lu G., Kang X. A facile approach to synthesize oxygen doped g-C3N4 with enhanced visible light activity under anoxic conditions via oxygen-plasma treatment. New J. Chem. 2018. 42(7): 4998. https://doi.org/10.1039/C7NJ04760F

12. Wang H., Guan Y., Hu S., Pei Y., Ma W., Fan Z. Hydrothermal synthesis of band gap-tunable oxygen doped g-C3N4 with outstanding "two channel" photocatalytic H2O2 production ability assisted by dissolution-precipitation process. Nano. 2019. 14(02): 1950023. https://doi.org/10.1142/S1793292019500231

13. Wang C., Fan H., Ren X., Ma J., Fang J., Wang W. Hydrothermally induced oxygen doping of graphitic carbon nitride with a highly ordered architecture and enhanced photocatalytic activity. Chem. Sus. Chem. 2018. 11(4): 700. https://doi.org/10.1002/cssc.201702278

14. Liu S., Li D., Sun H. Ang H.M., Tade M.O., Wang S. Oxygen functional groups in graphitic carbon nitride for enhanced photocatalysis. J. Colloid Interface Sci. 2016. 468: 176. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.01.051

15. Qiu P.X., Xu C.M., Chen H., Fang J., Xin W., Ruifeng L., Xirui Z. One step synthesis of oxygen doped porous graphitic carbon nitride with remarkable improvement of photo-oxidation activity: Role of oxygen on visible light photocatalytic activity. Appl. Catal. B. 2017. 206: 319. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.01.058

16. Ming L., Yue H., Xu L., Chen F. Hydrothermal synthesis of oxidized g-C3N4 and its regulation of photocatalytic activity. J. Mater. Chem. A. 2014. 2(45): 19145. https://doi.org/10.1039/C4TA04041D

17. Liu X., Ji H., Wang J., Xiao J., Yuan H., Xiao D. Ozone treatment of graphitic carbon nitride with enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation. J. Colloid Interface Sci. 2017. 505: 919. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.06.082

18. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G. Method for the synthesis of water-soluble oxide of graphite-like carbon nitride. Diamond Relat. Mater. 2016. 61: 46. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.11.006

19. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G., Gubareni N. Features of the synthesis of carbon nitride oxide (g-C3N4)O at urea pyrolysis. Diamond Relat. Mater. 2016. 66: 16. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.03.012

20. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G., Fomenko V. Synthesis of reduced carbon nitride at the reduction by hydroquinone of water-soluble carbon nitride oxide (g-C3N4)O. J. Solid State Chem. 2016. 241: 115. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.06.003

21. Kharlamov O., Bondarenko M., Kharlamova G., Silenko P., Khyzhun O., Gubareni N. Carbon Nitride Oxide (g-C3N4)O and Heteroatomic N-graphene (Azagraphene) as Perspective New Materials in CBRN defense. In: Nanostructured Materials for the Detection of CBRN, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biolog. (J. Bonca, S. Kruchinin Eds., Springer, Dordrecht, Chapter, V. 20. 2018). P. 245. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1304-5_20

22. Bondarenko M., Silenko P., Gubareni N., Khyzhun O., Ostapovskaya N., Solonin Yu. Synthesis of multilayer azagraphene and carbon nitride oxide. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 393. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.393

23. Kharlamov O., Bondarenko M., Kharlamova G. O-Doped Carbon Nitride (O-g-C3N) With High Oxygen Content (11.1 mass. %) Synthesized by Pyrolysis of Pyridine. In: Nanotechnology to Aid Chemical and Biological Defense, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. V. 9. (Dordrecht: Springer Science+Business Media, 2015). P. 129. https://doi.org/10.1007/978-94-017-7218-1_9

24. Kharlamov A.I., Bondarenko M.E., Kharlamova G.A. New method for synthesis of oxygen-doped graphite-like carbon nitride from pyridine. Russ. J. Appl. Chem. 2014. 87(9): 1284. https://doi.org/10.1134/S107042721409016X

25. Kharlamov A.I., Bondarenko M.E., Kirillova N.V. New method for synthesis of fullerenes and fullerene hydrides from benzene. Russ. J. Appl. Chem. 2012. 85(2): 233. https://doi.org/10.1134/S1070427212020127

26. Kelyp O.O., Petrik I.S., Vorobets V.S., Smirnova N.P., Kolbasov G.Ya. Sol-gel synthesis andcharacterization of mesoporous TiO2 modified with transition metal ions (Co, Ni, Mn, Cu). Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2013. 4(1): 105. https://doi.org/10.15407/hftp04.01.105

27. Dong F., Zhao Z., Xiong T., Ni Z., Zhang W., Sun Y., Ho W.K. In situ construction of g-C3N4/g-C3N4 metal-free heterojunction for enhanced visible-light photocatalysis. ACS Appl. Mater Interfaces. 2013. 5(21): 11392. https://doi.org/10.1021/am403653a

28. Wang P., Guo X., Rao L., Wang C., Guo Y., Zhang L. A weak-light-responsive TiO2/g-C3N4 composite film: photocatalytic activity under low-intensity light irradiation. Environ. Sci. Pollut. Res. 2018. 25(20): 20206. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2201-1




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.398

Copyright (©) 2019 M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun, N. Yu. Ostapovskaya