Синтез гидротермальным методом наночастиц TiO₂, легированных Eu

   Цель исследования. Получение, характеризация и сравнение фотокаталитических свойств наночастиц диоксида титана, легированных европием.

   Методы. Путем гидротермального синтеза с постобработкой в виде промывания и отжига были получены наночастицы диоксида титана, легированные европием. Характеризация выполнена с помощью просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, энергодисперсионного анализа. Ширина запрещенной зоны наночастиц была определена методом спектроскопии диффузного отражения. Свойства фотолюминесценции были изучены сканирующей зондовой микроскопией и спектроскопией комбинационного рассеяния. Фотокаталитические свойства изучены спектрофотометрией при деградации метиленового синего под воздействием ультрафиолетового излучения.

   Результаты. Методом просвечивающей электронной микроскопии были определены средние размеры частиц диоксида титана, легированные европием. Методом ренгтенофазового анализа установлена анатазная модификация частиц независимо от процентного содержания европия. Энергодисперсионный анализ подтвердил наличие допанта в образцах. Выявлялась сильная фотолюминесценция. Пик интенсивности фотолюминесценции увеличивался пропорционально с ростом процентного содержания европия. Фотокаталитические свойства сильнее всего проявлялись при наименьшем содержании европия среди исследуемых образцов.

   Вывод. Синтезированные наночастицы диоксида титана, легированные европием, обладают анатазной модификацией, проявляя сильную фотолюминесцентную активность. Интенсивность люминесценции зависит от концентрации европия в частицах благодаря образованию дополнительных энергетических уровней внутри запрещенной зоны. Фотокаталитические свойства легированных европием наночастиц значительно улучшаются в сравнении с образцами, синтезированными без примесей. Однако концентрация европия свыше 0,5 % приводит к росту структурных дефектов, снижающих подвижность фотогенерированных носителей заряда, и создает высокий энергетический барьер, препятствующий их выходу на поверхность.

1. Photocatalytic degradation of dyes using semiconductor photocatalysts to clean industrial water pollution / A. Rafiq, M. Ikram, S. Ali, F. Niar, M. Khan, Q. Khan // J. Ind. Eng. Chem. 2021. Vol. 97. P. 111–128. doi: 10.1016/j.jiec.2021.02.017

2. Analysis of photocatalytic properties of titanium dioxide electrode supported by hydroxyapatite co-catalyst in a marine solar cell / H. Wunn, S. Motoda, M. Morita, H. Itakura // ECS Meet. Abstr. 2023. Vol. MA2023-02, no. 47. P. 2278–2278. doi: 10.1149/MA2023-02472278mtgabs

3. Catalyzing artificial photosynthesis with TiO₂ heterostructures and hybrids: emerging trends in a classical yet contemporary photocatalyst / X. Ruan, S. Li, C. Huang, W. Zheng, X. Cui, S. K. Ravi // Adv. Mater. 2023. Vol. 36, no. 17. doi: 10.1002/adma.202305285

4. Ремпель А. А., Валеева А. А. Наноструктурированный диоксид титана для медицинской химии // Известия Российской академии наук. Серия химическая. 2019. № 12. С. 2163–2171.

5. Titanium dioxide and its applications in mechanical, electrical, optical, and biomedical fields / Das Rajib, V. Ambardekar, P. P. Bandyopadhyay // Titanium Dioxide Advances and Applications / ed. by Hafiz Muhammed Ali. 2021. Vol. 7. doi: 10.5772/intechopen.98805

6. Synthesis and characterization of TiO₂ via sol-gel method for efficient photocatalytic degradation of antibiotic ofloxacin / K. Mushtaq, M. Saeed, W. Gul, M. Munir, A. Firdous, T. Yousaf // Inorg. Nano-Metal Chem. 2020. Vol. 50, no. 7. P. 580–586. doi: 10.1080/24701556.2020.1722695

7. Direct synthesis of natural dye mixed titanium dioxide nano particles by sol-gel method for dye sensitized solar cell applications / S. Ananth, T. Arumanayagam, P. Vivek, P. Murugakoothan // Optik (Stuttg). 2014. Vol. 125, no. 1. P. 495–498. doi: 10.1016/j.ijleo.2013.07.018

8. Synthesis and characterization of titanium dioxide nanoparticles by chemical and green methods and their antifungal activities against wheat rust / M. A. Irshad, R. Nawaz, M. Zia ur Rehman, M. Imran, J. Ahmad, S. Ahmad [et al.] // Chemosphere. 2020. Vol. 258. P. 127352. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.127352

9. Štengl V., Grygar T. M. The simplest way to Iodine-doped anatase for photocatalysts activated by visible light // Int. J. Photoenergy. 2011. Vol. 2011. P. 1–13. doi: 10.1155/2011/685935

10. Evaluation of sol-gel and solvothermal method on titanium dioxide and reduced graphene oxide nanocomposite / I. V. Ayala, E. Mejía-Ospino, C. Gonzalez-Arias, R. Cabanzo-Hernández, E. D. V-Niño // J. Phys. Conf. Ser. 2024. Vol. 2726, no. 1. P. 012003. doi: 10.1088/1742-6596/2726/1/012003

11. Hydrothermal synthesis of copper-decorated titanium dioxide spherulites and their photocatalytic activity against reactive dyes / G. K. Sendil, E. Soundarrajan, M. R. Ranjitha, R. A. Klaivani, S. Raghu // Asian J. Chem. 2023. Vol. 35, no. 1. P. 45–51. doi: 10.14233/ajchem.2023.24013

12. Morphology, size control, and photocatalytic activities of titanium dioxide nanoparticles synthetized by microemulsion method / F. Bakhtiari, N. Foruhar, A. Zelati, M. Amouamouha // AIP Adv. 2023. Vol. 13, no. 8. doi: 10.1063/5.0156485

13. Bulut B., Duman Ş. Effects of calcination temperature on hydrothermally synthesized titanium dioxide submicron powders // Konya J. Eng. Sci. 2021. Vol. 9, no. 3. P. 676–685. doi: 10.36306/konjes.915062

14. Charge carrier trapping, recombination and transfer during TiO₂ photocatalysis : An overview / R. Qian, H. Zong, J. Schneider, G. Zhou, T. Zhao, Y. Li // Catalysis Today. 2019. Vol. 335. P. 78–90. doi: 10.1016/j.cattod.2018.10.053

15. Ðorđević V., Milićević B., Dramićanin M. D. Rare earth-doped anatase TiO₂ nanoparticles // Titanium Dioxide / ed. by V. Janus. InTech, 2017. P. 25–60. doi: 10.5772/intechopen.68882.

16. Co-doping effect of carbon and yttrium on photocatalytic activity of TiO₂ nanoparticles for methyl orange degradation / N. R. Khalid, E. Ahmed, A. Rasheed, M. Ahmad, R. Khawar, A. Shakoor // J. Ovonic Res. 2015. Vol. 11, no. 3. P. 107–112.

17. Rajeswari P. V., Ram S., Pradhan D. Core-shell synergy and Eu³⁺ doping in boosting charge transfer in Eu³⁺ doped TiO₂-carbon core-shell nanohybrids: Sustainable synthesis and visible light-driven photocatalysis // Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 492. P. 473–486. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.06.169

18. Enhanced photocatalytic activity of europium doped TiO₂ under sunlight for the degradation of methyl orange / G. V. Khade, N. L. Gavade, M. B. Suwarnkar, M. J. Dhanavade, K. D. Sonawane, K. M. Garadkar // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2017. Vol. 28, no. 15. P. 11002–11011. doi: 10.1007/s10854-017-6883-9

19. Study of phase composition, photocatalytic activity, and photoluminescence of TiO₂ with Eu additive produced by the extraction-pyrolytic method / V. Serga, R. Burve, A. Krumina, V. Pankratova, A. I. Popov, V. Pankratov // J. Mater. Res. Technol. 2021. Vol. 13. P. 2350–2360. doi: 10.1016/j.jmrt.2021.06.029

20. Егельский И. В., Мартынова Е. А., Пугачевский М. А. Изучение влияния времени гидротермального синтеза на фотокаталитические свойства легированных европием наночастиц диоксида титана // Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства : сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2023. С. 36–40.