Влияние размерного фактора на структуру и физико-химические свойства наночастиц диоксида титана

Цель исследования. Изучить особенности атомной и электронной структуры, элементного и фазового состава, оптических и фотокаталитических свойств наночастиц TiO₂ в зависимости от их размерных характеристик.

Методы. Характеризация размера и морфологии наночастиц диоксида титана с помощью сканирующего электронного микроскопа, оборудованного приставкой энергодисперсионного анализа (Oxford), а также сканирующим зондовым микроскопом OmegaScope (AIST-NT), сопряженным с конфокальным рамановским и флюоресцентным спектрометром; структурных особенностей с использованием дифрактометра малоуглового рентгеновского рассеяния с температурной камерой (–30…120°С); исследование в видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектров поглощения образцов с помощью оптического спектрофотометра CФ-2000 в режиме характеризации на просвет; определения люминесцентных линий свечения дефектных уровней кристаллической структуры TiO₂ при облучении высокоэнергетическим спектром света ультрафиолетового диапазона; изучение каталитической активности наночастиц TiO₂ в реакции фотодеградации органического красителя метиленового синего в зависимости от содержания и размерного состава наночастиц.

Результаты. Установлено, что центрифугирование водных диспергированных смесей частиц диоксида титана позволяет получать нанодисперсные системы с предельным размером частиц до 30 нм. Ширина запрещенной зоны увеличивается с 2,98±0,05 эВ до 3,30±0,05 эВ при уменьшении размеров наночастиц от 35 до 20 нм. Показано, что с уменьшением размера частиц их фотокаталитическая активность значительно увеличивается.

Заключение. Предложен способ получения нанодисперсных частиц оксида титана с заданным предельным размером. Размерный эффект оказывает значительное влияние на строение и свойства диоксида титана, что позволяет, установив физико-химические закономерности, создавать на его основе высокоэффективные катализаторы и солнечные преобразователи.

1. Controlled synthesis and microstructural properties of Sol-Gel TiO2 nanoparticles for photocatalytic cement composites / E. Cerro-Prada, S. García-Salgado, M. Á. Quijano, F. Varela // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, is. 1. P. 1.

2. Fundamentals of TiO2 photocatalysis: concepts, mechanisms, and challenges / Q. Guo, Q. Zhou, Z. Ma, X. Yang // Advanced Materials. 2019. Vol. 31, is. 50. P. 1901997– 1902025.

3. Enhancement of the photokilling effect of TiO2 in photodynamic therapy by conjugating with reduced graphene oxide and its mechanism exploration / H. Shang, D. Han, M. Ma, S. Li, W. Xue, A. Zhang // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2017. Vol. 177. P. 112–123.

4. Heterojunction CuO-TiO2 nanocomposite synthesis for significant photocatalytic hydrogen production / K. Manjunath, V. S. Souza, T. Ramakrishnappa, G. Nagaraju, J. D. Scholten, J. Dupont // Materials Research Express. 2016. Vol. 3, is. 11. P. 1–7.

5. Microwave assisted sol-gel synthesis of titanium dioxide using hydrochloric and acetic acid ascatalysts / M. Andrade-Guel, L. Díaz-Jiménez, D. Cortés-Hernández, C. CabelloAlvarado, C. Ávila-Orta, P. Bartolo-Pérez, P. Gamero-Melo // Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio. 2018. Vol. 58, is. 4. P. 171–177.

6. Pugachevskii M. A. Formation of TiO2 nanoparticles by laser ablation and their pro- perties // Nanoscience and nanotechnology letter. 2014. Vol. 6. P. 1–5.

7. Study of the effect of TiO2 layer on the adsorption and photocatalytic activity of TiO2-MoS2 heterostructures under visible-infrared light / N. Cruz-González, O. Calzadilla, J. Roque, F. Chalé-Lara, J. K. Olarte, M. Meléndez-Lira, M. Zapta-Torres // International Journal of Photoenergy. 2020. Vol. 2020. P. 115–125.

8. Highly active and thermo-stable anatase TiO2 photocatalysts synthesized by a microwave-assisted hydrothermal method / C. H. Su, C. C. Hu, Y. C. C. Sun, Y. C. Hsiao // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2016. Vol. 59. P. 229–236.

9. Liu L., Li Y. Understanding the reaction mechanism of photocatalytic reduction of CO2 with H2O on TiO2-based photocatalysts: A review // Aerosol and Air Quality Research. 2014. Vol. 14, is. 2. P. 453–469.

10. Ordered mesoporous black TiO2 as highly efficient hydrogen evolution photocatalyst / W. Zhou, W. Li, J. Q. Wang, Y. Qu, Y. Yang, Y. Xie, K. Zhang, L. Wang, H. Fu, D. Zhao // Journal of the American Chemical Society. 2014. Vol. 136, is. 26. P. 9280–9283.

11. Pugachevskii M. A. Photocatalytic properties of titania nanoparticles obtained by laser ablation // Nanotechnologies in Russia. 2013. Vol. 8, is. 7–8. P. 432–436.

12. Karpovich N. F., Pugachevskii M. A., Shtarev D. S. Influence of synthesis conditions on the shape and size characteristics of TiO2 nanocrystals // Nanotechnologies in Russia. 2013. Vol. 8, is. 11–12. P. 751–755.

13. Фотокаталитические свойства нанокомпозитов CuО/f-МУНТ и NiO/f- МУНТ и трубчатых наноструктур оксидов меди и никеля на их основе / М. А. Пугачевский, Ч. А. Хеин, В. В. Мамонтов, М. М. Тан, А. П. Кузьменко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 3. P. 72–85.

14. Pugachevskii M. A. Ultraviolet absorption spectrum of laser-ablated titanium di- oxide nanoparticles // Technical Physics Letters. 2013. Vol. 39, is. 1. P. 36–38.

15. Pugachevsky M. A. Effect of annealing on photoluminescent properties of titanium dioxide nanoparticles // Journal of Applied Spectroscopy. 2012. Vol. 79, is. 5. P. 834–837.

16. Triplet ground state of the neutral oxygen-vacancy donor in rutile TiO2 / A. T. Brant, E. M. Golden, N. C. Giles, S. Yang, M. A. R. Sarker, S. Watauchi, M. Nagao, I. Tanaka, D. A. Tryk, A. Manivannan, L. E. Halliburton // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2014. Vol. 89, is. 11. P. 115206.

17. Brant A. T. Ground state of the singly ionized oxygen vacancy in rutile TiO2 // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 114, is. 11. 113702 p.

18. Powder diffraction file / Joint Committee on Powder Diffraction Standards ASTM. Philadelphia PA, 1967. Card 1-1292.

19. Valentin C. Di, Pacchioni G., Selloni A. Electronic structure of defect states in hydroxylated and reduced rutile TiO2(110) surfaces // Physical Review Letters. 2006. Vol. 97, is. 16. P. 17155423–17155434.

20. The effect of surface morphology in copper oxide nanostructure to photo detector characteristics / A. Virdian, C. D. Satrya, E. Nurfani, Y. Darma // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 877. P. 012024.

21. Diebold U. The surface science of titanium dioxide // Surface Science Reports. 2003. Vol. 48, is. 5–8. P. 53–229.

22. First-principles study of native defects in anatase TiO2 / S. Na-Phattalung, M. Smith, K. Kim, M.-H. Du, S.-H. Wei, S. Zhang, S. Limpijumnong // Physical Review B. 2006. Vol. 73, is. 12. P. 125205–125217.

23. Setvin M., Franchini C., Hao X. Direct view at excess electrons in TiO2 rutile and anatase // Physical Review Letters. 2014. Vol. 113, is. 8. P. 086402–086416.