ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Нині текстильна і харчова промисловість виробляє значну кількість стічних вод, що містять азобарвники та інші органічні забруднювачі. Ці стоки становлять серйозну загрозу навколишньому середовищу, тому нові методи їхнього очищення та розклад азобарвників привертають велику увагу. Композиційні матеріали на основі TiO₂, модифіковані благородними металами та наноцерієм, виявляють високу активність у фотодеградації органічних забруднень, а також пропонуються для синтезу водню. Для оптимізації обробки забруднювачів можна комбінувати різні процеси, включаючи адсорбцію, фотолюмінесценцію, фотокаталіз тощо. Синтезовані наноматеріали на основі TiO₂ (золі, порошки) будуть використовуватися для біоремедіації через їхній невеликий розмір і поверхневий плазмонний резонанс від благородних металів. Методом хімічного осадження розчинів тетраізопропоксиду титану та неорганічних солей церію, срібла та паладію отримані бінарні нанокомпозити на основі діоксиду титану. Встановлено, що діоксид титану представлений анатазом з ОКР від 8.5 до 16.8 нм в залежності від складу й концентрації допуючої домішки. Показано, що срібло відновлюється на поверхні частинок анатазу та блокує їхній ріст, в той час як паладій і церій розподілені в титан оксидній матриці в формі маленьких кластерів, що призводить до деформації кристалічної ґратки анатазу. Частинки композитів утворюють пухкі та крихкі агрегати, які самовільно диспергуються у розчинах барвників з утворенням колоїдно-стійких золів, що потребує застосування відцентрованого поля для їхнього осадження. Наночастинки TiO₂&Pd були електронегативними, а інші – електропозитивними за значеннями 4.1÷9.6 ТНЗ (точки нульового заряду). Показано, що частинки всіх композитів сорбували метиленовий блакитний (MБ) без фотокаталітичної активності у видимому світлі до будь-якого барвника. Крім того, аніонні барвники, такі як Помаранчевий-Ж (П-Ж) і Метил помаранчевий (MП), чудово знебарвлювалися в присутності системи TiO₂&Pd; катіонні барвники MБ й родамін B (Род Б) також знебарвлювалися системами TiO₂, TiO₂&CeO₂ й TiO₂&Ag під дією ультрафіолетового світла. Таким чином, фотокаталіз показав, що знебарвлення П-Ж та MП було найвищим для систем TiO₂&Pd (2 мас. %) та TiO₂ з коефіцієнтом кореляції R² 0.999.

1. Zangeneh H., Zinatizadeh A.A.L., Habibi M. Photocatalytic oxidation of organic dyes and pollutants in wastewater using different modified titanium dioxides: A comparative review. J. Ind. Eng. Chem. 2015. 26: 1. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2014.10.043

2. Zeng M. Influence of TiO2 Surface Properties on Water Pollution Treatment and Photocatalytic Activity. Bull. Korean Chem. Soc. 2013. 34(3): 953. https://doi.org/10.5012/bkcs.2013.34.3.953

3. Tahir M., Tasleem S., Tahir B. Recent development in band engineering of binary semiconductor materials for solar driven photocatalytic hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy. 2020. 45(32): 15985. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.071

4. Nur A.S.M., Sultana M., Mondal A., Islam S., Nur F.R., Islam A., Sumi M.S.A. A review on the development of elemental and codoped TiO2 photocatalysts for enhanced dye degradation under UV-vis irradiation. J. Water Process Eng. 2022. 47:102728. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102728

5. Eddy D.R., Permana M.D., Sakti L.K., Sheha G.A.N., Solihudin, Hidayat S., Takei T., Kumada N., Rahayu I. Heterophase Polymorph of TiO2 (Anatase, Rutile, Brookite, TiO2 (B)) for Efficient Photocatalyst: Fabrication and Activity. Nanomaterials. 2023. 13(4): 704. https://doi.org/10.3390/nano13040704

6. Sescu A.M., Favier L., Lutic D., Soto-Donoso N., Ciobanu G., Harja M. TiO2 Doped with Noble Metals as an Efficient Solution for the Photodegradation of Hazardous OrganicWater Pollutants at Ambient Conditions. Water. 2021. 13(1): 19. https://doi.org/10.3390/w13010019

7. Jaramillo-Fierro X., León R. Effect of Doping TiO2 NPs with Lanthanides (La, Ce and Eu) on the Adsorption and Photodegradation of Cyanide - A Comparative Study. Nanomaterials. 2023. 13(6): 1068. https://doi.org/10.3390/nano13061068

8. Subramanian V., Wolf E., Kamat P.V. Semiconductor-metal composite nanostructures. To what extent do metal nanoparticles improve the photocatalytic activity of TiO2 films? J. Phys. Chem. B. 2001. 105(46): 11439. https://doi.org/10.1021/jp011118k

9. Seery M.K., George R., Floris P., Pilla S.C. Silver doped titanium dioxide nanomaterials for enhanced visible light photocatalysis. J. Photochem. Photobiol., A. 2007. 189(2-3): 258. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2007.02.010

10. Selvaraj R., Li X. Enhanced Photocatalytic Activity of TiO2 by Doping with Ag for Degradation of 2,4,6-Trichlorophenol in Aqueous Suspension. J. Mol. Catal. A: Chem. 2006. 243(1): 60. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2005.08.010

11. Torrell M., Adochite R.C., Cunha L., Barradas N.P., Alves E., Beaufort M.F., Rivière J.P., Cavaleiro A., Dosta S., Vaz F. Surface Plasmon Resonance Effect on the Optical Properties of TiO2 Doped by Noble Metals Nanoparticles. J. Nano Res. 2012. 18-19: 177. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.18-19.177

12. Harja M., Sescu A.M., Favier L., Lutic D. Doping Titanium Dioxide with Palladium for Enhancing the Photocatalytic Decontamination and Mineralization of a Refractory Water Pollutant. Rev. Chim. 2020. 71(7): 145. https://doi.org/10.37358/RC.20.7.8232

13. Bai X., Lv L., Zhang X., Hua Z. Synthesis and photocatalytic properties of palladium-loaded three dimensional flower-like anatase TiO2 with dominant {001} facets. J. Colloid Interface Sci. 2016. 467: 1. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2015.12.053

14. Wang J., Meng F., Xie W., Gao Ch., Zha Y., Liu D., Wang P. TiO2/CeO2 composite catalysts: synthesis, characterization and mechanism analysis. Appl. Phys. A. 2018. 124: 645. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2027-1

15. Yagub M.T., Sen T.K., Afroze S., Ang H.M. Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: a review. Adv. Colloid Interface Sci. 2014. 209: 172. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.04.002

16. Riera-Torres M., Gutiérrez-Bouzán C., Crespi M. Combination of coagulation-flocculation and nanofiltration techniques for dye removal and water reuse in textile effluents. Desalination. 2010. 252(1-3): 53. https://doi.org/10.1016/j.desal.2009.11.002

17. Akpan U.G., Hameed B.H. Parameters affecting the photocatalytic degradation of dyes using TiO2-based photocatalysts: a review. J. Hazard Mater. 2009. 170(2-3): 520. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.05.039

18. Alejandra I.-S., Valencia A., Nikolay R., Vásquez L., Felipe A. Effect of pH and Themperature on photocatalytic oxidation of methyl orange using black sand as photocatalyst. Revista Tiempo Económico. 2017. 1(1).

19. Pillai I.M.S., Gupta A.K. Effect of inorganic anions and oxidizing agents on electrochemical oxidation of methyl orange, malachite green and 2,4-dinitrophenol. J. Electroanal. Chem. 2015. 762: 66. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.12.027

20. Leroy P., Tournassat C., Bizi M. Influence of surface conductivity on the apparent zeta potential of TiO2 nanoparticles. J. Colloid Interface Sci. 2011. 356(2): 442. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.01.016

21. Vanlalhmingmawia Ch., Lalhriatpuia Ch., Tiwari D., Kim D.-J. Noble Metal Doped TiO2 Thin Films In The Efficient Removal of Mordant Orange-1: Insights of Degradation Process. Research Square. 2021. 29: 51732. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-661533/v1

22. Nazar M.F., Shah S.S., Khosa M.A. Interaction of Azo Dye with Cationic Surfactant Under Different pH Conditions. J. Surfactants. Deterg. 2010. 13: 529. https://doi.org/10.1007/s11743-009-1177-8

23. Kosmulski M. The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge. J. Colloid Interface Sci. 2002. 253: 77. https://doi.org/10.1006/jcis.2002.8490

24. Lavrynenko O.M., Zahornyi M.M., Paineau E., Pavlenko O.Yu., Tyschenko N.I., Bykov O.I. Characteristic of TiO2&Ag0 nanocomposites formed via transformation of metatitanic acid and titanium(IV) isopropoxide. Materials Today: Proceedings. 2022. 62(15): 7664. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.002

25. Lavrynenko O.M., Zahornyi M.M., Paineau E.·Pavlenko O.Yu. Synthesis of active binary and ternary TiO2-based nanocomposites for efficient dye photodegradation. Appl. Nanosci. 2023. 13: 7365. https://doi.org/10.1007/s13204-023-02909-z

26. Gondal M.A., Rashid S.G., Dastageer M.A., Zubair S.M., Ali M.A., Lienhard J.H., McKinley G.H., Varanasi K.K. Sol-Gel Synthesis of Au/Cu-TiO2 Nanocomposite and Their Morphological and Optical Properties. IEEE Photonics Journal. 2013. 5(3): 2201908. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2262674

27. Evcin A., Arlı E., Baz Z., Esen R., Sever E.G. Characterization of Ag-TiO2 Powders Prepared by Sol-Gel Process. Acta Phys. Pol. A. 2017. 132(3): 608. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.132.608

28. Zuas O., Hamim N. Synthesis, Characterization and Properties of CeO2-doped TiO2 Composite Nanocrystals. Mater. Sci. 2013. 19(4): 443. https://doi.org/10.5755/j01.ms.19.4.2732

29. Azouri A., Ge M., Xun K., Sattler K., Lichwa J., Ray Ch. Zeta potential studies of titanium dioxide and silver nanoparticle composites in water-based colloidal suspension. In: Proceedings of Multifunctional Nanocomposites. 20-22 September 2006, Honolulu, Hawaii. https://doi.org/10.1115/MN2006-17072

30. Chen Y.-W., Lee D.-Sh. Photocatalytic Destruction of Methylene Blue on Ag@TiO2 with Core/Shell Structure. Open Access Library Journal. 2014. 1: 1. https://doi.org/10.4236/oalib.1100504

31. Yahodynets P.I., Skrypska O.V., Andriichuk Yu.M. Khimiia barvnykiv: Navchalnyi posibnyk. (Chernivtsi, 2019). [in Ukrainian].

32. Zhygotsky A., Rynda E., Kochkodan V., Zagorny M., Lobunets T., Kuzhmenko L., Ragulya A. Effect of dispersity and porous structure of TiO2 nanopowders on photocatalytic destruction of azodyes in aqueous solutions. J. Chem. Chem. Eng. 2013. 7: 949.

33. Venkatamaran K. The Chemistry of Synthetic Dyes. (Academy Press: London, 1953).