Синтез оксидных композитов титана и марганца, исследование их физико-химических и фотокаталитических свойств

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Синтезированы фотокаталитически активные материалы на основе титана и марганца. Изучены особенности формирования полученных материалов, их физико-химические и фотокаталитические свойства. Показано, что модифицирование TiO2 марганцем приводит к получению нанодисперсных порошков (4.8–2550 нм) со свободной удельной поверхностью от 0.56 до 479 м2/г. Синтезированные порошки обладают высокой фотокаталитической активностью (ФКА) при облучении видимым светом, превышающей ФКА немодифицированного TiO2 схожего генезиса и промышленного диоксида титана Р-25 фирмы Degussa. Повышенный уровень ФКА наблюдается для образцов, модифицированных марганцем, одновременно содержащих анатаз и рутил, без обособления отдельных фаз марганца.

Об авторах

М. Л. Беликов

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение Федерального исследовательского центра “Кольский научный центр Российской академии наук”

Email: masim-bek@mail.ru
Россия, 184209, Мурманская обл., Апатиты, Академгородок, 26а

С. А. Сафарян

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение Федерального исследовательского центра “Кольский научный центр Российской академии наук”

Email: masim-bek@mail.ru
Россия, 184209, Мурманская обл., Апатиты, Академгородок, 26а

П. А. Корнейкова

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение Федерального исследовательского центра “Кольский научный центр Российской академии наук”

Автор, ответственный за переписку.
Email: masim-bek@mail.ru
Россия, 184209, Мурманская обл., Апатиты, Академгородок, 26а

Список литературы

  1. Fujishima A., Honda K. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode // Nature. 1972. V. 238. № 5358. P. 37–38. https://doi.org/10.1038/238037a0
  2. Dong H., Zeng G., Tang L., Fan C., Zhang C., He X. An Overview on Limitations of TiO2-Based Particles for Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants and the Corresponding Countermeasures // Water. Res. 2015. V. 79. P. 128–146. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.04.038
  3. Jiang L., Wang Y., Feng C. Application of Photocatalytic Technology in Environmental Safety // Procedia Eng. 2012. V. 45. P. 993–997. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.08.271
  4. Tasbihi M., Călin I., Šuligoj A., Fanetti M., Lavrenčič Štangar U. Photocatalytic Degradation of Gaseous Toluene by using TiO2 Nanoparticles Immobilized on Fiberglass Cloth // J. Photochem. Photobiol., A. 2017. V. 336. P. 89–97. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2016.12.025
  5. Bhattacharyya A., Kawi S., Ray M.B. Photocatalytic Degradation of Orange II by TiO2 Catalysts Supported on Adsorbents // Catal. Today. 2004. V. 98. № 3. P. 431–439. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.08.010
  6. Jacoby W.A., Maness P.C., Wolfrum E.J., Blake D.M., Fennell J.A. Mineralization of Bacterial Cell Mass on a Photocatalytic Surface in Air // Environ. Sci. Technol. 1998. V. 32. № 17. P. 2650–2653. https://doi.org/10.1021/es980036f
  7. Caballero L., Whitehead K.A., Allen N.S., Verran J. Inactivation of Escherichia coli on Immobilized TiO2 Using Fluorescent Light // J. Photochem. Photobiol., A. 2009. V. 202. № 2. P. 92–98. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2008.11.005
  8. Liu H.-L., Yang Thomas C.-K. Photocatalytic Inactivation of Escherichia coli and Lactobacillus helveticus by ZnO and TiO2 Activated with Ultraviolet Light // Process Biochem. 2003. V. 39. № 4. P. 475–481. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(03)00084-0
  9. Burton P., Peterson E., Boyle T. et al. Synthesis of High Surface Area ZnO(0001) Plates as Novel Oxide Supports for Heterogeneous Catalysts // Catal. Lett. 2010. V. 139. № 1. P. 26–32. https://doi.org/10.1007/s10562-010-0405-1
  10. Bignozzi C.A., Caramori S., Cristino V. et al. Nanostructured Photoelectrodes Based on WO3: Applications to Photooxidation of Aqueous Electrolytes // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. № 6. P. 2228–2246. https://doi.org/10.1039/c2cs35373c
  11. Tian L., Ye L., Liu J. et al. Solvothermal Synthesis of CNTs–WO3 Hybrid Nanostructures with High Photocatalytic Activity under Visible Light // Catal. Commun. 2012. V. 17. P. 99–103. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2011.10.023
  12. Franking R., Li L., Lukowski M.A. et al. Facile Post-Growth Doping of Nanostructured Hematite Photoanodes for Enhanced Photoelectrochemical Water Oxidation // Energy Environ. Sci. 2013. V. 6. № 2. P. 500–512. https://doi.org/10.1039/C2EE23837C
  13. Bang J.U., Lee S.J., Jang J.S. et al. Geometric Effect of Single or Double Metal-Tipped CdSe Nanorods on Photocatalytic H2 Generation // J. Phys. Chem. Lett. 2012. V. 3. № 24. P. 3781–3785. https://doi.org/10.1021/jz301732n
  14. Wang J., Yin S., Zhang Q. et al. Mechanochemical Synthesis of Fluorine-Doped SrTiO3 and Its Photo-Oxidation Properties // Chem. Lett. 2003. V. 32. № 6. P. 540–541. https://doi.org/10.1246/cl.2003.540
  15. Kirovskaya I.A., Timoshenko O.T., Karpova E.O. The Catalytic and Photocatalytic Properties of InP-CdS and ZnTe-CdS System Components // Russ. J. Phys. Chem. A. 2011. V. 85. № 4. P. 557–560. https://doi.org/10.1134/S0036024411030186
  16. Phuruangrat A., Sakhon T., Kuntalue B. et al. Characterization of Visible-Light-Induced BiVO4 Photocatalyst Synthesized by Chemical Combustion Method Fueled by Tartaric Acid // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. P. 1829–1836. https://doi.org/10.1134/S0036023621120135
  17. Chomkitichai W., Jansanthea P., Channei D. Photocatalytic Activity Enhancement in Methylene Blue Degradation by Loading Ag Nanoparticles onto α-Fe2O3 // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. P. 1995–2003. https://doi.org/10.1134/S0036023621130027
  18. Dongmei He, Du L., Wang K. et al. Efficient Process of ALD CuO and Its Application in Photocatalytic H2 Evolution // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. P. 1986–1994. https://doi.org/10.1134/S0036023621130040
  19. Dumrongrojthanath P., Phuruangrat A., Sakhon T. et al. Effect of Gd Dopant on Visible-Light-Driven Photocatalytic Properties of CeO2 Nanowires Synthesized Microwave-Assisted Hydrothermal Method // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 1880–1887. https://doi.org/10.1134/S0036023622600757
  20. Shtareva A.V., Shtarev D.S., Balanov M.I. et al. Bismuthyl Carbonate Heterostructures Are a Way to Enhance the Photocatalytic Activity of Alkaline-Earth Bismuthates // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 1375–1385. https://doi.org/10.1134/S0036023622090157
  21. Shtarev D.S., Shtareva A.V., Petrova A.Y. Effects of the Dopant Type and Concentration on the Photocatalytic Activity of Strontium Bismuthate Sr2Bi2O5 // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 1368–1374. https://doi.org/10.1134/S0036023622090145
  22. Bhatkhande D.S., Pangarkar V.G., Beenackers A.A.C.M. Photocatalytic Degradation for Environmental Applications – a Review // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2002. V. 77. № 1. P. 102–116. https://doi.org/10.1002/jctb.532
  23. Yu J.C., Ho W., Yu J., Yip H., Wong P.K., Jincai Z. Efficient Visible-Light-Induced Photocatalytic Disinfection on Sulfur-Doped Nanocrystalline Titania // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. № 4. P. 1175–1179. https://doi.org/10.1021/es035374h
  24. Wang W., Huang G., Yu J.C., Wong P.K. Advances in Photocatalytic Disinfection of Bacteria: Development of Photocatalysts and Mechanisms // J. Environ. Sci. 2015. V. 34. P. 232–247. https://doi.org/10.1016/j.jes.2015.05.003
  25. Karvinen S.M. The Effects of Trace Element Doping on the Optical Properties and Photocatalytic Activity of Nanostructured Titanium Dioxide // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. № 5. P. 1035–1043. https://doi.org/10.1021/ie020358z
  26. Szczepanik B. Photocatalytic Degradation of Organic Contaminants over Clay-TiO2 Nanocomposites: A Review // Appl. Clay Sci. 2017. V. 141. P. 227–239. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.02.029
  27. Khan H., Berk D. Synthesis, Physicochemical Properties and Visible Light Photocatalytic Studies of Molybdenum, Iron and Vanadium Doped Titanium Dioxide // React. Kinet. Mech. Catal. 2014. V. 111. № 1. P. 393–414. https://doi.org/10.1007/s11144-013-0637-3
  28. Devi L.G., Nagaraju K., Murthy B.N., Girish K.S. Enhanced Photocatalytic Activity of Transition Metal Ions Mn2+, Ni2+ and Zn2+ Doped Polycrystalline Titania for the Degradation of Aniline Blue under UV/Solar Light // J. Mol. Catal. A. 2010. V. 328. № 1–2. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2010.05.021
  29. Anpo M. Use of visible Light. Second-Generation Titanium Oxide Photocatalysts Prepared by the Application of an Advanced Metal Ion-Implantation Method // Pure Appl. Chem. 2000. V. 72. № 9. P. 1787–1792. https://doi.org/10.1351/pac200072091787
  30. Brus V.V., Kovalyuk Z.D., Maryanchuk P.D. Optical Properties of TiO2–MnO2 thin Films Prepared by Electron-Beam Evaporation // Tech. Phys. 2012. V. 57. № 8. P. 1148–1151. https://doi.org/10.1134/S1063784212080063
  31. Ivanova T., Harizanova A. Characterization of TiO and TiO–MnO Oxides Prepared by Sol–gel Method // Solid State Ionics. 2001. V. 138. P. 227–232. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00798-0
  32. Опра Д.П., Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л. и др. Легированный марганцем диоксид титана с улучшенными электрохимическими характеристиками для литий-ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2019. Т. 19. № 3. С. 123–140. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-3-123-140
  33. Беликов М.Л., Седнева Т.А., Локшин Э.П. Адсорбционные и фотокаталитические свойства диоксидa титана, модифицированного вольфрамом // Неорган. материалы. 2021. Т. 47. № 2. С. 154–162. https://doi.org/10.31857/S0002337X21020020
  34. Jin Q., Arimoto H., Fujishima M., Tada H. Manganese Oxide-Surface Modified Titanium (IV) Dioxide as Environmental Catalyst // Catalysts. 2013. V. 3. № 2. P. 444–454. https://doi.org/10.3390/catal3020444
  35. Седнева Т.А., Локшин Э.П., Беликов М.Л., Калинников В.Т. Способ получения фотокаталитического нанокомпозита, содержащего диоксид титана: Пат. № 2435733 РФ. 2011. БИ № 34.
  36. Седнева Т.А., Локшин Э.П., Беликов М.Л., Беляевский А.Т. Синтез и исследования фотокаталитических оксидных композитов титана(IV) и кобальта(II) // Хим. технология. 2015. Т. 16. № 7. С. 398–407.
  37. Matthews R.W., McEvoy S.R. Destruction of Phenol in Water with Sun, Sand, and Photocatalysis // Sol. Energy. 1992. V. 49. № 6. P. 507–513. https://doi.org/10.1016/0038-092X(92)90159-8
  38. Иванова В.П., Касатов Б.К., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. Л.: Недра, 1974. С. 47.
  39. Liptay G. Atlas of Thermoanalytical Curves. Budapest: Academiai Kiado, 1973. V. 2. P. 78.
  40. Казенас К.Е., Цветков Ю.В. Испарение оксидов. М.: Наука, 1997. 543 с.
  41. Грег С., Синг К. Адсорбция. Удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 306 с.
  42. Parida K.M., Sahu N. Visible Light Induced Photocatalytic Activity of Rare Earth Titania Nanocomposites // J. Mol. Catal. A. 2008. V. 287. № 1–2. P. 151–158. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2008.02.028
  43. Агафонов А.В., Редозубов А.А., Козик В.В., Краев А.С. Фотокаталитическая активность нанопорошков диоксида титана, полученных золь-гель методом при различных значениях рН // Журн. неорган. химии. 2015. Т. 60. № 8. С. 1001–1008. https://doi.org/10.7868/S0044457X15080024
  44. Степанов А.Ю., Сотникова Л.В., Владимиров А.А. и др. Синтез и исследование фотокаталитических свойств материалов на основе TiO2 // Вестн. Кемеровского гос. ун-та. 2013. Т. 1. № 2. С. 249–255.
  45. Sabnis R.W., Ross E., Köthe J., Naumann R. et al. Indicator Reagents // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley, 2009. V. 19. P. 9–53. https://doi.org/10.1002/14356007.a14_127.pub2
  46. Наянова Е.В., Елипашева Е.В., Сергеев Г.М., Сергеева В.П. Редокс-свойства метиленового голубого как перспективного фотометрического реагента для определения галогенных окислителей // Аналитика и контроль. 2015. Т. 19. № 2. С. 154–160. https://doi.org/10.15826/analitika.2015.19.2.005
  47. Вакулин И.В., Бугаец Д.В., Зильберг Р.А. Анализ точности расчета Rеd/Оx потенциалов замещенных фенолов, хинонов, и анилинов полуэмпирическими методами АМ1, RM1 и РM7 // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 52. № 11. С. 53–59. https://doi.org/10.37952/ROI-jbc-01/17-52-11-53

Дополнительные файлы


© М.Л. Беликов, С.А. Сафарян, П.А. Корнейкова, 2023