Метою цього дослідження є вивчення фотокаталітичної активності наночастинок TiO2 в розкладі барвника метилового оранжевого (МО). Нанопорошок діоксиду титану TiO2 був синтезований звичайним золь-гель методом і кальцинований в атмосфері повітря за різних температур (350°C, 550°C і 850°C). Потім синтезовані наночастинки TiO2 піддавали твердофазній реакції з Кальцій гідридом (CaH2) за тих же температур в атмосфері аргону. Вимірювання рентгенівської дифракції (XRD), використані для ідентифікації фази та розміру кристалів, показали, що отримані зразки мають однакову фазу анатазу TiO2, але розмір кристалів зменшився після відновлювальної обробки. Електронні властивості, отримані за допомогою УФ-спектроскопії, показали зменшення розрахованого енергетичного проміжку з 3,3 еВ для одержаного TiO2-550 до 2,65 еВ для відновленого TiO2-CaH2-550, що розширює спектри поглинання до області видимого світла. Вимірювання за допомогою енергетичної дисперсійної спектроскопії (EDS) і сканувальної електронної мікроскопії (SEM) показали, що розмір частинок зменшується після відновлювальної обробки, подібно до XRD розміру кристалів. Результати EDS показали, що нестача вмісту Оксигену пов’язана з утворенням оксигенових вакансій, які є причиною утворення нестехіометричних оксидів TiO2-x. Синтезований відновлений TiO2 показав чудову фотокаталітичну активність у розкладі барвника метилового оранжевого за оптимальних умов: pH 4,5, завантаження каталізатора 40 мг і початкова концентрація барвника 10 м.ч.
[1] Li, Q.; Mahendra, S.; Lyon, D.Y.; Brunet, L.; Liga, M.V.; Li, D.; Alvarez, P.J.J. Antimicrobial Nanomaterials for Water Disinfection and Microbial Control: Potential Applications and Implications. Water Res. 2008, 42, 4591-4602. https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.08.015
[2] Velichenko, A.; Knysh, V.; Luk'yanenko, T.V.; Dmitrikova, L.; Velichenko, Y.; Devilliers, D. PbO2 Based Composite Materials Deposited from Suspension Electrolytes: Electrosynthesis, Physico-Chemical and Electrochemical Properties. Chem. Chem. Technol. 2012, 6, 123-133. https://doi.org/10.23939/chcht06.02.123
[3] Qu, X.; Alvarez, P.J.J.; Li, Q. Applications of Nanotechnology in Water and Wastewater Treatment. Water Res. 2013, 47, 3931-3946. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.09.058
[4] Wafiroh, S.; Abdulloh, A.; Widati, A.A. Cellulose Acetate Hollow Fiber Membranes from Banana Stem Fibers Coated by TiO2 for Degradation of Waste Textile Dye. Chem. Chem. Technol. 2021, 15, 291-298. https://doi.org/10.23939/chcht15.02.291
[5] Maeda, K. Photocatalytic Water Splitting Using Semiconductor Particles: History and Recent Developments. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 2011, 12, 237-268. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2011.07.001
[6] Ameen, S.; Akhtar, M.S.; Seo, H.-K.; Shin, H.-S. Solution-Processed CeO2/TiO2 Nanocomposite as Potent Visible Light Photocatalyst for the Degradation of Bromophenol Dye. Chem. Eng. J. 2014, 247, 193-198. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.02.104
[7] White, J.L.; Baruch, M.F.; Pander III, J.E.; Hu, Y.; Fortmeyer, I.C.; Park, J.E.; Zhang, T.; Liao, K.; Gu, J.; Yan, Y. et al. Light-Driven Heterogeneous Reduction of Carbon Dioxide: Photocatalysts and Photoelectrodes. Chem. Rev. 2015, 115, 12888-12935. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00370
[8] Tahir, B.; Tahir, M.; Amin, N.A.S. Photo-Induced CO2 Reduction by CH4/H2O to Fuels over Cu-Modified g-C3N4 Nanorods Under Simulated Solar Energy. Appl. Surf. Sci. 2017, 419, 875-885. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.05.117
[9] Malengreaux, C.M.; Pirard, S.L.; Léonard, G.; Mahy, J.G.; Herlitschke, M.; Klobes, B.; Hermann, R.; Heinrichs, B.; Bartlett, J.R. Study of the Photocatalytic Activity of Fe3+, Cr3+, La3+ and Eu3+ Single-Doped and co-Doped TiO2 Catalysts Produced by Aqueous Sol-Gel Processing. J. Alloys Compd. 2017, 691, 726-738. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.211
[10] Lin, H.-Y.; Shih, C.-Y. Efficient One-Pot Microwave-Assisted Hydrothermal Synthesis of M (M= Cr, Ni, Cu, Nb) and Nitrogen co-Doped TiO2 for Hydrogen Production by Photocatalytic Water Splitting. J. Mol. Catal. A Chem. 2016, 411, 128-137. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2015.10.026
[11] Lei, J.; Chen, Y.; Shen, F.; Wang, L.; Liu, Y.; Zhang, J. Surface Modification of TiO2 with g-C3N4 for Enhanced UV and Visible Photocatalytic Activity. J. Alloys Compd. 2015, 631, 328-334. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.080
[12] Kumar, S.G.; Rao, K.S.R.K. Comparison of Modification Strategies towards Enhanced Charge Carrier Separation and Photocatalytic Degradation Activity of Metal Oxide Semiconductors (TiO2, WO3 and ZnO). Appl. Surf. Sci. 2017, 391, 124-148. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.081
[13] Shi, J.; Chen, J.; Feng, Z.; Chen, T.; Lian, Y.; Wang, X.; Li, C. Photoluminescence Characteristics of TiO2 and Their Relationship to the Photoassisted Reaction of Water/Methanol Mixture. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 693-699. https://doi.org/10.1021/jp065744z
[14] Xia, T.; Zhang, Y.; Murowchick, J.; Chen, X. Vacuum-Treated Titanium Dioxide Nanocrystals: Optical Properties, Surface Disorder, Oxygen Vacancy, and Photocatalytic Activities. Catal. Today 2014, 225, 2-9. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.08.026
[15] Lu, X.; Wang, G.; Zhai, T.; Yu, M.; Gan, J.; Tong, Y.; Li, Y. Hydrogenated TiO2 Nanotube Arrays for Supercapacitors. Nano Lett. 2012, 12, 1690-1696. https://doi.org/10.1021/nl300173j
[16] Nikolenko, A.; Melnykov, B. Photocatalytic Oxidation of Formaldehyde Vapour Using Amorphous Titanium Dioxide. Chem. Chem. Technol. 2010, 4, 311-315. https://doi.org/10.23939/chcht04.04.311
[17] Yuan, Z.; Xiao-Xuan, W.; Lv, H.; Zheng, W.-C. EPR Parameters and Defect Structures of the off-Center Ti3+ Ion on the Sr2+ Site in Neutron-Irradiated SrTiO3 Crystal. J. Phys. Chem. Solids 2007, 68, 1652-1655. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.04.001
[18] Bityurin, N.; Kuznetsov, A.I.; Kanaev, A. Kinetics of UV-Induced Darkening of Titanium-Oxide Gels. Appl. Surf. Sci. 2005, 248, 86-90. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.03.083
[19] Jenkins, C.A.; Murphy, D.M. Thermal and Photoreactivity of TiO2 at the Gas−Solid Interface with Aliphatic and Aromatic Aldehydes. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 1019-1026. https://doi.org/10.1021/jp982690n
[20] Coronel, S.; Pauker, C.S.; Jentzsch, P.V.; de la Torre, E.; Endara, D.; Muñoz-Bisesti, F. Titanium Dioxide/Copper/Carbon Composites for the Photocatalytic Degradation of Phenol. Chem. Chem. Technol. 2020, 14, 161-168. https://doi.org/10.23939/chcht14.02.161
[21] Qiu, S.; Kalita, S.J. Synthesis, Processing and Characterization of Nanocrystalline Titanium Dioxide. Mater. Sci. Eng. A 2006, 435-436, 327-332. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.07.062
[22] Liu, N.; Häublein, V.; Zhou, X.; Venkatesan, U.; Hartmann, M.; Mačković, M.; Nakajima, T.; Spiecker, E.; Osvet, A.; Frey, L.; Schmuki, P. “Black” TiO2 Nanotubes Formed by High-Energy Proton Implantation Show Noble-Metal-co-Catalyst Free Photocatalytic H2-Evolution. Nano Lett. 2015, 15, 6815-6820. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02663
[23] Ullattil, S.G.; Periyat, P. A ‘One Pot’Gel Combustion Strategy towards Ti3+ Self-Doped ‘Black’Anatase TiO2−x Solar Photocatalyst. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 5854-5858. https://doi.org/10.1039/C6TA01993E
[24] Moore, D.M.; Reynolds, R.C., Jr. X-Ray Diffraction and the Identification and Analysis of Clay Minerals; Oxford university press: Oxford, 1989.
[25] Kulkarni, M.; Thakur, P. The Effect of UV/TiO2/H2O2 Process and Influence of Operational Parameters on Photocatalytic Degradation of Azo Dye in Aqueous TiO2 Suspension. Chem. Chem. Technol. 2010, 4, 265-270. https://doi.org/10.23939/chcht04.04.265
[26] Chen, Y.; Huang, W.; He, D.; Situ, Y.; Huang, H. Construction of Heterostructured g-C3N4/Ag/TiO2 Microspheres with Enhanced Photocatalysis Performance under Visible-Light Irradiation. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 14405-14414. https://doi.org/10.1021/am503674e
[27] Wang, Z.; Yang, C.; Lin, T.; Yin, H.; Chen, P.; Wan, D.; Xu, F.; Huang, F.; Lin, J.; Xie, X. et al. Visible-Light Photocatalytic, Solar Thermal and Photoelectrochemical Properties of Aluminium-Reduced Black Titania. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3007-3014. https://doi.org/10.1039/C3EE41817K
[28] Amano, F.; Nakata, M.; Yamamoto, A.; Tanaka, T. Effect of Ti3+ Ions and Conduction Band Electrons on Photocatalytic and Photoelectrochemical Activity of Rutile Titania for Water Oxidation. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 6467-6474. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b01481
[29] Zheng, J.; Liu, L.; Ji, G.; Yang, Q.; Zheng, L.; Zhang, J. Hydrogenated Anatase TiO2 as Lithium-Ion Battery Anode: Size–Reactivity Correlation. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20074-20081. https://doi.org/10.1021/acsami.6b05993
[30] Schwarzbauer, J.; Heim, S. Lipophilic Organic Contaminants in the Rhine River, Germany. Water Res. 2005, 39, 4735-4748. https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.09.029
[31] Parveen, B. Room-Temperature Ferromagnetism in Ni-doped TiO2 Diluted Magnetic Semiconductor Thin Films. J. Appl. Res. Technol. 2019, 15, 132-139. https://doi.org/10.1016/j.jart.2017.01.009
[32] Huang, X.; Han, S.; Huang, W.; Liu, X. Enhancing Solar Cell Efficiency: the Search for Luminescent Materials as Spectral Converters. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 173-201. https://doi.org/10.1039/C2CS35288E
[33] Qamar, M.; Muneer, M.; Bahnemann, D. Heterogeneous Photocatalysed Degradation of Two Selected Pesticide Derivatives, Triclopyr and Daminozid in Aqueous Suspensions of Titanium Dioxide. J. Environ. Manage. 2006, 80, 99-106. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2005.09.002
[34] Park, N.-G.; Van de Lagemaat, J.; Frank, A.J. Comparison of Dye-Sensitized Rutile- and Anatase-Based TiO2 Solar Cells. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8989-8994. https://doi.org/10.1021/jp994365l