Структура и фотокаталитические свойства пленок на основе алюмосиликатов

Целью настоящего исследования явился синтез плёнок алюмосиликатов микро- и нанометровой толщины электрохимическим методом и систематическое изучение влияния их структурно-геометрических характеристик на зонную энергетическую структуру и фотокаталитические свойства. 

Методы. На алюминиевой подложке электролизом водных растворов Na2SiO3 и NaOH различной концентрации при постоянном напряжении в интервале от 8 В до 30 В получены тонкопленочные покрытия алюмосиликатов. Проведено исследование поверхности методом атомно-силовой микроскопии, удельная площадь поверхности определена методом адсорбции метиленового синего. Ширина запрещенной зоны установлена по спектрам диффузного отражения.

Результаты. В работе получены плёночные покрытия на основе высококремниевых алюмосиликатов, близких к структуре MFI и FAU. Проведено систематическое изучение морфологии поверхности. Установлено, что поверхность образцов при напряжении 8 В глобулярная с диаметром глобул от 500 нм до 2,5 мкм, при повышении напряжения – формирование кристаллической структуры, элементами которой являются параллелепипеды с длиной ребер, не превышающей 250 нм. Толщина пленок колеблется в интервале от ~1,0 мкм до ~18,5 мкм, а удельная площадь поверхности от ~250 м²/г до ~650 м²/г в зависимости от условий синтеза. Предложен механизм формирования алюмосиликатного покрытия. Обнаружено сужение ширины запрещенной зоны алюмосиликатов до 3,10 – 3,32 эВ. Увеличение каталитической активности структур происходит с ростом напряжения, при котором они были получены, что можно объяснить увеличением удельной площади поверхности материала и, следовательно, увеличением концентрации активных центров и площади контакта с молекулами красителя. 

Заключение. Приведенные в работе результаты представляют интерес при изучении свойств двумерных объектов, а также при получении новых функциональных материалов на основе алюмосиликатов, обладающих высокой каталитической активностью.

1. AIE-active tetraphenylethene functionalized metal-organic framework for selective detection of nitroaromatic explosives and organic photocatalysis / Q. Y. Li, Z. Ma, W. Q. Zhang, J.L. Xu, W. Wei, H. Lu, X. J. Wang, X. Zhao // Chemical Communications. 2016. Vol. 52, No. 75. P. 11284–11287. https://doi.org/10.1039/C6CC04997D

2. Photocatalysis. A multi-faceted concept for green chemistry / D. Ravelli, D. Dondi, M. Fagnoni, A. Albini // Chem. Soc. Rev. 2009. Vol. 38, No. 7. P. 1999–2011. https://doi.org/10.1039/B714786B

3. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: a review / M. Chong, B. Jin, C. Chow, C. Saint // Water Res. 2010. Vol. 44, No. 10. P. 2997–3027. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.02.039

4. Mamaghani A., Haghighat F., Lee C. Photocatalytic oxidation technology for indoor environment air purification: The state-of-the-art // Appl. Catal. B Environ. 2017. Vol. 203. P. 247–269. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.10.037

5. Исследование антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия в окислительной реакции Фентона / М. А. Пугачевский, В. А. Мамонтов, А. П. Кузьменко, Ю. А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 1. С. 61–74.

6. Кумпаненко И. В., Рощин А. В., Иванова Н. А. Гетерогенное фотокаталитическое окисление загрязняющих веществ в воздухе на частицах TiО2 // Химическая физика. 2018. Т. 37, №2. С. 25–34. https://doi.org/10.7868/S0207401X18020048

7. Feng-Shou X., Xiangju M. Zeolites in sustainable chemistry: synthesis, characterization and catalytic applications. Berlin: Springer, 2016. 485 p. https://doi.org/10.1007/978-3662-47395-5

8. Lopes A., Martins P., Lanceros-Mendes S. Aluminosilicate and aluminosilicate based polymer composites: Present status, applications and future trends // Progress in Surface Science. 2014. Vol. 89. P. 239–277. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2014.08.002

9. From 3D to 2D zeolite catalytic materials / J. Přech, P. Pizarro, D. Serrano, J. Čejka // Chemical Social Reviews. 2018. Vol. 47. P. 8263–8306. https://doi.org/10.1039/C8CS00370J

10. Влияние размерного фактора на структуру и физико-химические свойства наночастиц диоксида титана / М. А. Пугачевский, В. А. Мамонтов, С. Н. Николаева, А. С. Чекаданов, В. М. Емельянов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 2. С. 104– 118.

11. Квантово-механическое исследование роста пленки алюминия на поверхности SiO2 со структурой кристобалита / В. Г. Заводинский, А. П. Кузьменко, Лин Ко Ко, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 2. С. 81–97.

12. Mehla S., Das J., Jampaiah D. Porous crystalline frameworks for thermocatalytic CO2 reduction: an emerging paradigm // Catal. Sci. Technol. 2019. Vol. 9. P. 3582–3602. https://doi.org/10.1039/D0EE01882A

13. Campbel-Rance D. Electrodeposited silica thin films: Theses and dissertation. Virginia Commonwealth University, 2010. 168 p.

14. Choi J. Fabrication of monodomain porous alumina using nanoimprint lithography and its applications: dissertation. Wittenberg, Germany, Martin Luther University, 2004. 92 p.

15. Jacobs P., Derouane E., Weitkamp J. Evidence for X-ray-amorphous zeolites // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1981. Vol. 12. P. 591. https://doi.org/10.1039/C39810000591

16. Синтез, особенности морфологии и формирования пленки алюмосиликата на подложке / Е. Н. Грибанов, А. И. Горшков, Е. А. Синицын, Ю. В. Хрипунов, Э. Р. Оскотская // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. № 1. С. 20–27. https://www.elibrary.ru/item.asp?doi=10.31857/S1028096021010076

17. Almjasheva O., Gusarov V. Metastable clusters and aggregative nucleation mechanism // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2014. Vol. 5, No. 3. P. 405–417.

18. Valtchev V., Mintova S., Tsapatsis M. Ordered Porous Solids. Oxford; Amsterdam: Elsevier Science, 2008. 800 p.

19. Tauc J. Amorphous and liquid semiconductors. London: Taylor & Francis, 1974. 441 p.

20. Tunable bandgap narrowing induced by controlled molecular thickness in 2D mica nanosheets / S. Kim, T. Khai, V. Kulish, A., Katoch H. Na, H. Kim, P. Wu, Y. Kim, M. Osada // Chem. Mater. 2015. Vol. 27. P. 4222–4228. https://doi.org/10.1021/cm504802j

21. Lee K., Hamid S., Lai C. // Journal of Nanomaterials. 2015. Vol. 1–3. P. 1–10.