techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-1-123-134techusgu-314Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние высокотемпературного отжига на электронную структуру и антиоксидантные свойства аблированных наночастиц диоксида церияEffect of high temperature annealing on the electronic structure and antioxidant properties of ablated Cerium dioxide nanoparticleshttps://orcid.org/0000-0003-0592-3851МамонтовВ. А.MamontovV. А.

Мамонтов Владимир Александрович, аспирант кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

г. Курск

Vladimir A. Mamontov, Post-Graduate Student of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

Kursk

vladimir-mamontov2013@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5004-0823ПугачевскийМ. А.PugachevskiiM. A.

Пугачевский Максим Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики, директор Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Maksim A. Pugachevskii, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor at the Department of Nanotechnology, Microelectronics and Engineering Physics, Director of the Regional Center of Nanotechnology

Kursk

pmaximal@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8110-9929СизовА. С.SizovA. S.

Сизов Александр Семёнович, доктор технических наук, профессор кафедры информационных систем и технологий

г. Курск

Alexander S. Sizov, Doctor of Sciences (Engeenering), Professor of the Department of Information Systems and Technologies

Kursk

sizov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8087-874XНеручевЮ. А.NeruchevYu. A.

Неручев Юрий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики и нанотехнологий, научный руководитель научно-исследовательского центра физики конденсированного состояния

г. Курск

Yury A. Neruchev, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Physics and Nanotechnology, Scientific Supervisor of the Research Center for Condensed Matter Physics

Kursk

yuan2003@mail.ruЮго-западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian Federation202507042025151123134Copyright © Мамонтов В.А., Пугачевский М.А., Сизов А.С., Неручев Ю.А., 20252025Мамонтов В.А., Пугачевский М.А., Сизов А.С., Неручев Ю.А.Mamontov V.А., Pugachevskii M.A., Sizov A.S., Neruchev Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/314

Цель. Исследование зависимости электронной структуры и антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия от температуры отжига в условиях фотокаталитической реакции в присутствии наночастиц диоксида титана.Методы. Были получены наночастицы диоксида церия методом лазерной абляции. По АСМ-изображениям рассчитаны средние размеры аблированных наночастиц диоксида церия, подвергнутых центрифугированию и высокотемпературному отжигу. Спектрофотометрическим методом установливалось изменение энергетического положения 4f0 состояний ионов Ce4+в полосе пропускания ширины запрещённой зоны отожжённых наночастиц диоксида церия и исследовалась их седиментация. Также с помощью спектрофотометра определялась зависимость от температуры отжига антиоксидантной активности наночастиц диоксида церия в процессе фотокатализа.Результаты. Установлены средние размеры аблированных отожжённых центрифугированных наночастиц диоксида церия в диапазоне от (46,3±0,5) нм до (82,8±0,5) нм. В результате исследований определён батохромный сдвиг энергетического положения 4f0 состояний ионов Ce4+ в полосе пропускания ширины запрещённой зоны аблированных наночастиц диоксида церия после отжига, а его влияние на процесс седиментации наночастиц не выявлен. Установлено, что в ходе фотокаталитической реакции в присутствии аблированных отожжённых наночастиц диоксида церия увеличивается скорость деградации красителя метиленового синего, то есть снижается антиоксидантная активность наночастиц CeO2.Заключение. Из результатов исследований, представленных в данной работе, следует, что под воздействием высокотемпературного отжига физико-химические свойства аблированных наночастиц диоксида церия меняются, в частности снижается их антиоксидантная активность, но скорость седиментации наночастиц диоксида церия в водном растворе остается постоянной. 

Purpose. Study of the dependence of the electronic structure and antioxidant properties of ablated cerium dioxide nanoparticles on the annealing temperature under photocatalytic reaction conditions in the presence of titanium dioxide nanoparticles.Methods. Nanoparticles of cerium dioxide were obtained by laser ablation. The average sizes of ablated nanoparticles of cerium dioxide subjected to centrifugation and high-temperature annealing were calculated from AFM images. A change in the electronic structure of annealing was detected by spectrophotometry, and sedimentation of annealed nanoparticles was studied. Also, the dependence of the antioxidant activity of cerium dioxide nanoparticles on the annealing temperature in the photocatalysis process was determined using a spectrophotometer.Results. The average sizes of ablated annealed centrifuged cerium dioxide nanoparticles were determined to be in the range from 46,3±0,5 nm to 82,8±0,5 nm. The studies revealed a bathochromic shift in the energy position of the 4f0 states of Ce4+ ions in the bandwidth of the bandgap of annealed cerium dioxide nanoparticles after annealing, and its effect on the sedimentation process of nanoparticles was not revealed. It was found that during the photocatalytic reaction in the presence of ablated annealed cerium dioxide nanoparticles, the degradation rate of the methylene blue dye increases, i.e., the antioxidant activity of CeO2 nanoparticles decreases.Conclusion: From the results of the studies presented in this paper it follows that under the influence of high-temperature annealing the physicochemical properties of ablated cerium dioxide nanoparticles change, in particular, their antioxidant activity decreases, but the sedimentation rate of nanoparticles in an aqueous solution remains constant.

наночастицыдиоксид цериялазерная абляцияэлектронная структураспектрофотометрияантиоксидантные свойствафотокатализnanoparticlesCerium dioxidelaser ablationelectronic structurespectrophotometryantioxidant propertiesphotocatalysisИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (с/о № 075-03–2025–526) и в рамках Программы «Приоритет 2030» (Соглашение № 075-15-2021-1213).The study was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (contract No. 075-03–2025–526) and within the framework of the Priority 2030 Program (Agreement No. 075-15-2021-1213).ReferencesTransformation of Cerium oxide nanoparticles from a diesel fuel additive during combustion in a diesel engine / J.G. Dale, S.S. Cox, M.E. Vance, L.C. Marr, Jr M.F Hochella // Environmental science & technology. 2017. Vol. 51, no. 4. P. 1973–1980. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03173.Dale J.G., Cox S.S., Vance M.E., Marr L.C., Hochella Jr M.F. Transformation of cerium oxide nanoparticles from a diesel fuel additive during combustion in a diesel engine. Environmental science & technology. 2017;51(4):1973–1980. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03173High performance low-temperature solid oxide fuel cells based on nanostructured ceria-based electrolyte / J. Liu, C. Zhu, D. Zhu, X. Jia, Y. Zhang, J. Yu [et al.] // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, no. 9. P. 2231. https://doi.org/10.3390/nano11092231.Liu J., Zhu C., Zhu D., Jia X., Zhang Y., Yu J., Yang M. High performance low-temperature solid oxide fuel cells based on nanostructured ceria-based electrolyte. Nanomaterials. 2021;11(9):2231. https://doi.org/10.3390/nano11092231The advances of ceria nanoparticles for biomedical applications in orthopaedics / H. Li, P. Xia, S. Pan, Z. Qi, C. Fu, Z. Yu [et al.] // International journal of nanomedicine. 2020. Vol. 15. P. 7199– 7214. https://doi.org/10.2147/IJN.S270229.Li H., Xia P., Pan S., Qi Z., Fu C., Yu Z., Yang X. The advances of ceria nanoparticles for biomedical applications in orthopaedics. International journal of nanomedicine. 2020:7199–7214. https://doi.org/10.2147/IJN.S270229Cerium dioxide nanoparticles as third-generation enzymes (nanozymes) / A.L. Popov, A.B. Shcherbakov, N.M. Zholobak, A.Y. Baranchikov, V.K. Ivanov // Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics. 2017. Vol. 8, no. 6. P. 760–781. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2017-8-6760-781.Popov A.L., Shcherbakov A.B., Zholobak N.M., Baranchikov A.Y., Ivanov V.K. Cerium dioxide nanoparticles as third-generation enzymes (nanozymes). Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics. 2017;8(6):760–781. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2017-8-6-760-781Сerium dioxide nanoparticles for luminescence based analytical systems: Challenging nanosensor and effective label / O.A. Goryacheva, D.V. Tsyupka, S.V. Pigarev, P.D. Strokin, A.A. Kovyrshina, A.A. Moiseev [et al.] // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2024. Vol. 174. P. 117665. https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117665.Goryacheva O.A., Tsyupka D.V., Pigarev S.V., Strokin P.D., Kovyrshina A.A., Moiseev A.A., Goryacheva I.Y. Сerium dioxide nanoparticles for luminescence based analytical systems: Challenging nanosensor and effective label. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2024:117665. https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117665Bioengineered Cerium oxide (CeO2) nanoparticles and their diverse applications: a review / S. Pansambal, R. Oza, S. Borgave, A. Chauhan, P. Bardapurkar, S. Vyas [et al.] // Applied Nanoscience. 2023. Vol. 13, no. 9. P. 6067–6092. https://doi.org/10.1007/s13204-022-02574-8.Pansambal S., Oza R., Borgave S., Chauhan A., Bardapurkar P., Vyas S., Ghotekar S. Bioengineered cerium oxide (CeO2) nanoparticles and their diverse applications: a review. Applied Nanoscience. 2023;13(9):6067–6092. https://doi.org/10.1007/s13204-022-02574-8Bioactivity of Cerium dioxide nanoparticles as a function of size and surface features / V. Sarnatskaya, Y. Shlapa, D. Kolesnik, O. Lykhova, D. Klymchuk, S. Solopan, A. Belous // Biomaterials Science. 2024. Vol. 12, no. 10. P. 2689–2704. https://doi.org/10.1039/D4BM90076F.Sarnatskaya V., Shlapa Y., Kolesnik D., Lykhova O., Klymchuk D., Solopan S., Belous A. Bioactivity of cerium dioxide nanoparticles as a function of size and surface features. Biomaterials Science. 2024;12(10):2689–2704. https://doi.org/10.1039/D4BM90076FCerium oxide nanoparticles in wound care: a review of mechanisms and therapeutic applications / S. Chen, Y. Wang, S. Bao, L. Yao, X. Fu, Y. Yu [et al.] // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2024. Vol. 12. P. 1404651. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1404651.Chen S., Wang Y., Bao S., Yao L., Fu X., Yu Y., Zhou Y. Cerium oxide nanoparticles in wound care: a review of mechanisms and therapeutic applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2024;12:1404651. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1404651Cerium oxide nanoparticles in cancer / Y. Gao, K. Chen, J.L. Ma, F. Gao // Onco Targets Ther. 2014. Vol. 7. P. 835–40. https://doi.org/10.2147/OTT.S62057.Gao Y., Chen K., Ma J. L., Gao F. Cerium oxide nanoparticles in cancer. Onco Targets Ther. 2014(7):835. https://doi.org/10.2147/OTT.S62057Cerium oxide nanoparticles rescue α-synuclein-induced toxicity in a yeast model of Parkinson’s disease / R. Ruotolo, G. De Giorgio, I. Minato, M.G. Bianchi, O. Bussolati, N. Marmiroli // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 235. https://doi.org/10.3390/nano10020235.Ruotolo R., De Giorgio G., Minato I., Bianchi M. G., Bussolati O., Marmiroli N. Cerium oxide nanoparticles rescue α-synuclein-induced toxicity in a yeast model of Parkinson’s disease. Nanomaterials. 2020;10(2):235. https://doi.org/10.3390/nano10020235Sundararajan V., Venkatasubbu G.D., Sheik Mohideen S. Investigation of therapeutic potential of cerium oxide nanoparticles in Alzheimer’s disease using transgenic Drosophila // 3 Biotech. 2021. Vol. 11, no. 4. P. 159. https://doi.org/10.1007/s13205-021-02706-x.Sundararajan V., Venkatasubbu G.D., Sheik Mohideen S. Investigation of therapeutic potential of cerium oxide nanoparticles in Alzheimer’s disease using transgenic Drosophila. 3 Biotech. 2021;11(4):159. https://doi.org/10.1007/s13205-021-02706-xUlker D., Abacioglu N., Sehirli A.O. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles could have protective effect against COVID-19 // Letters in Applied NanoBioScience. 2022. Vol. 12, no. 1. P. 12. https://doi.org/10.33263/LIANBS121.012.Ulker D., Abacioglu N., Sehirli A.O. Cerium Oxide (CeO2) Nanoparticles Could Have Protective Effect Against COVID-19. Letters in Applied NanoBioScience. 2022;12(1):12. https://doi.org/10.33263/LIANBS121.012Mamontov V.A., Ryzhenkova A.Y., Pugachevskii M.A. Characterization of size and morphological composition of ablated nanoparticles of cerium dioxide after ultrasonic dispersion and centrifugation in aqueous solution // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. Vol. 2064, no. 1. P. 012083. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012083.Mamontov V.A., Ryzhenkova A.Y., Pugachevskii M.A. Characterization of size and morphological composition of ablated nanoparticles of cerium dioxide after ultrasonic dispersion and centrifugation in aqueous solution. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2021;2064(1):012083. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012083.Pugachevskii M.A., Chibisov A.N., Mamontov V.A., Kuzmenko A.P. Antioxidant properties of stabilized CeO2 nanoparticles // Physica status solidi (a). 2021. Vol. 218, no. 20. P. 2100355. https://doi.org/10.1002/pssa.202100355.Pugachevskii M.A., Chibisov A.N., Mamontov V.A., Kuzmenko A.P. Antioxidant properties of stabilized CeO2 nanoparticles. Physica status solidi (a). 2021;218(20):2100355. https://doi.org/10.1002/pssa.202100355.Pugachevskii M.A., Mamontov V.A., Syuy A.V., Kuzmenko A.P. Effect of pH on antioxidant properties of ablated CeO2 nanoparticles in photocatalytic process // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022. Vol. 106. P. 74–76. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.10.036.Pugachevskii M.A., Mamontov V.A., Syuy A.V., Kuzmenko A.P. Effect of pH on antioxidant properties of ablated CeO2 nanoparticles in photocatalytic process. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022;106:74–76. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.10.036.Walton R.I. Solvothermal synthesis of cerium oxides // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2011. Vol. 57, no. 4. P. 93–108. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow. 2011.10.002.Walton R.I. Solvothermal synthesis of cerium oxides. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2011;57(4):93–108. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2011.10.002.Production of ablated CeO2 Particles with nanodispersed compositional distribution / M.A. Pugachevskii, V.A. Mamontov, N.V. Aung, A.S. Chekadanov, A.P. Kuzmenko // Technical Physics Letters. 2020. Vol. 46. P. 1032–1035. https://doi.org/10.1134/S1063785020100259.Pugachevskii M.A., Mamontov V.A., Aung N.V., Chekadanov A.S., Kuzmenko A.P. Production of Ablated CeO2 Particles with Nanodispersed Compositional Distribution. Technical Physics Letters. 2020;46:1032–1035. https://doi.org/10.1134/S1063785020100259.Oxidative stress induced by cerium oxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells / E.J. Park, J. Choi, Y.K. Park, K. Park // Toxicology. 2008. Vol. 245, no. 1–2. P. 90–100. https://doi.org/ 10.1016/j.tox.2007.12.022.Park E.J., Choi J., Park Y.K., Park K. Oxidative stress induced by cerium oxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells. Toxicology. 2008;245(1-2):90–100. https://doi.org/10.1016/j.tox.2007.12.022Suresh R., Ponnuswamy V., Mariappan R. Effect of annealing temperature on the microstructural, optical and electrical properties of CeO2 nanoparticles by chemical precipitation method // Applied Surface Science. 2013. Vol. 273. P. 457–464. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.02.062.Suresh R., Ponnuswamy V., Mariappan R. Effect of annealing temperature on the microstructural, optical and electrical properties of CeO2 nanoparticles by chemical precipitation method. Applied Surface Science. 2013;273:457–464. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.02.062Пугачевский М.А. Формирование структурных дефектов в наночастицах CeO2 при лазерной абляции // Письма в Журнал технической физики. 2017. Т. 43, № 15. С. 28–33. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.15.44867.16821.Pugachevsky M.A. Formation of structural defects in CeO2 nanoparticles during laser ablation. Letters to the Journal of Technical Physics. 2017;43(15):28–33. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.15.44867.16821Пугачевский М.А. Изменение фотолюминесцентных свойств наночастиц СeО2 вследствие термического отжига // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86, № 2. С. 316–319. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00821-5.Pugachevsky M.A. Change in photoluminescent properties of CeO2 nanoparticles due to thermal annealing. Journal of Applied Spectroscopy. 2019:86(2):316–319. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00821-5Пугачевский М.А. Влияние отжига на фотолюминесцентные свойства наночастиц диоксида титана // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 5. С. 838–841.Pugachevsky M.A. Effect of annealing on the photoluminescent properties of titanium dioxide nanoparticles. Journal of Applied Spectroscopy. 2012:79(5):838–841.Saifia M.A., Seal S., Godugu C. Nanoceria, the versatile nanoparticles: Promising biomedical applications // Journal of Controlled Release. 2021. No. 338. P. 164–189. https://doi.org/10.1016/ j.jconrel.2021.08.033.Saifia M.A., Seal S., Godugu C. Nanoceria, the versatile nanoparticles: Promising biomedical applications. Journal of Controlled Release. 2021(338):164–189. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2021.08.033

The authors declare that there are no conflicts of interest present.