Деструкция некоторых красителей на композитных фотокатализаторах на основе оксидов SiO2/TiO2

Вячеслав Викторович Авдин, Александра Владимировна Буланова, Айзада Айтугановна Асильбекова, Марина Викторовна Илькаева

Аннотация


В работе изучены композитные оксиды SiO2/TiO2, полученные при различном мольном соотношении кремния и титана в исходном растворе. Образцы получены в две стадии. Первая стадия основана на золь-гель технологии с применением пероксида водорода в качестве комплексообразователя. Оксигидроксид титана конвенционально осаждается, промывается бидистиллированной водой и перерастворяется в перекиси водорода с образованием пероксотитановой кислоты. Образуется неопалесцирующий прозрачный раствор. К этому раствору добавляется силикат натрия и формируется единый молекулярный прекурсор, гидролизом которого получается композитный образец, в котором зёрна TiO2 заключены в матрицу SiO2. На второй стадии полученный материал обрабатывается в гидротермальных условиях в автоклавах при саморегулирующемся давлении. TiO2 кристаллизуется в виде зёрен размером около 10 нм. Контроль кристаллизации и роста кристаллов обеспечивается наличием аморфной силикатной матрицы. Небольшой размер зёрен TiO2 приводит к высокой фотокаталитической активности материала. Образцы изучены методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. Фотокаталитическая активность определена для всех полученных образцов в реакции деструкции метиленового голубого под ультрафиолетовым излучением. Наибольшую степень деструкции субстрата обеспечивает образец, полученный при соотношении SiO2/TiO2, равном 1:2. Для этого образца определена возможность фотокаталического разложения метилового оранжевого и метиленового фиолетового. Метиловый оранжевый данным фотокатализатором разлагается довольно медленно, в отличие от метиленового фиолетового и метиленового голубого. Полученные фотокатализаторы можно использовать для очистки воды от красителей.


Ключевые слова


золь-гель технология; диоксид титана; силикагель; композитные фотокатализаторы SiO2/TiO2; фотокаталитическая деструкция красителей

Полный текст:

PDF

Литература


Jing L., Zhou W., Tian G., Fu H. Surface Tuning for Oxide-based Nanomaterials as Efficient Photocatalysts. Chem. Soc. Rev., 2013, vol. 42, pp. 9509–9549. DOI: 10.1039/c3cs60176e

Kibombo H.S., Peng R., Rasalingam S., Koodali R.T. Versatility of Heterogeneous Photocatalysis: Synthetic Methodologies Epitomizing the Role of Silica Support in TiO2 Based Mixed Oxides. Catal. Sci. Technol., 2012, vol. 2, pp. 1737–1766. DOI: 10.1039/c2cy20247f

Seriani N., Pinilla C., Cereda S., De Vita A. et al. Titania–Silica Interfaces. J. Phys. Chem. C, 2012, vol. 116, pp. 11062–11067. DOI: 10.1021/jp301584h

Coles M.P., Lugmair C.G., Terry K.W., Tilley T.D. Titania-Silica Materials from the Molecular Precursor Ti[OSi(OtBu)3]4: Selective Epoxidation Catalysts. Chem. Mater., 2000, vol. 12, pp. 122–131. DOI: 10.1021/cm990444y

Xu W., Wei L., Luo M. Nanoporous SiO2/TiO2 Composite Prepared by a Combined Sol-Gel and Hybrid Method. Key Eng. Mater., 2008, vol. 368–372, pp. 1497–1499.

Pab E., Retuert J., Quijada R., Zarate A. TiO2–SiO2 Mixed Oxides Prepared by a combined Sol–Gel and Polymer Inclusion Method. Microporous Mesoporous Mater., 2004, vol. 67, pp. 195–203. DOI: 10.1016/j.micromeso.2003.10.017

Oki A.R., Xu Q., Shpeizer B., Clearfield A. et al. Synthesis, Characterization and Activity in Cyclohexene Epoxidation of Mesoporous TiO2-SiO2 Mixed Oxides. Catal. Commun., 2007, vol. 8, pp. 950–956. DOI: 10.1016/j.catcom.2006.09.022

Garbassi F., Balducci L. Preparation and Characterization of Spherical TiO2-SiO2 Particles. Microporous Mesoporous Mater., 2001, vol. 47, pp. 51–59. DOI: 10.1016/S1387-1811(01)00302-X

Kosuge K., Singh P.S. Titanium-Containing Porous Silica Prepared by a Modified Sol-Gel Method. J. Phys. Chem. B, 1999, vol. 103, pp. 3563–3569.

Pabón E., Retuert J., Quijada R. Synthesis of Mixed Silica Titania by the Sol-Gel Method

Using Polyethylenimine: Porosity and Catalytics Properties. J. Porous Mater., 2007, vol. 14, pp. 151–158. DOI: 10.1007/s10934-006-9019-9

Zhu H., Pan Z., Chen B., Lee B. et al. Synthesis of Ordered Mixed Titania and Silica Mesostructured Monoliths for Gold Catalysts. J. Phys. Chem. B, 2004, vol. 108, pp. 20038–20044. DOI: 10.1021/jp047525o

Zeleňák V., Hornebecq V., Mornet S., Schäf O., Llewellyn P. Mesoporous Silica Modified With Titania: Structure and Thermal Stability. Chem. Mater., 2006, vol. 18, pp. 3184–3191. DOI: 10.1021/cm051608f

Cojocaru B., Parvulescu V.I., Preda E., Iepure G. et al. Sensitizers on Inorganic Carriers for Decomposition of the Chemical Warfare Agent Yperite. Environ. Sci. Technol., 2008, vol. 42, pp. 4908–4913. DOI: 10.1021/es800170a

Krivtsov I., Ilkaeva M., Avdin V., Khainakov S. et al. A Hydrothermal Peroxo Method for Preparation of Highly Crystalline Silica-Titania Photocatalysts. J. Colloid Interface Sci., 2015, vol. 444, pp. 87–96. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2014.12.044.

Ilkaeva M., Krivtsov I., Avdin V., Khainakov S.A. et al. Comparative Study of Structural and Thermal Behavior of Mixed Silics-Titania Xerogels Prepared via the Peroxo Method and the Conven-tional Co-Precipitation Technique. Colloids Surf., A, 2014, vol. 456, pp. 120–128. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2014.05.018.

Galbavy E.S., Ram K., Anastasio C. 2-Nitrobenzaldehyde as a Chemical Actinometer for Solu-tion and ice Photochemistry. J. Photochem. Photobiol., A, 2010, vol. 209, pp. 186–192. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2009.11.013.

Willett K.L., Hites R.A. Chemical Actinometry: Using o-Nitrobenzaldehyde to Measure Light Intensity in Photochemical Experiments. J. Chem. Educ., 2000, vol. 77, pp. 900–902.

Kakihana M., Kobayashi M., Tomita K., Petrykin V. Application of Water-Soluble Titanium Complexes as Precursors for Synthesis of Titanium-Containing Oxides via Aqueous Solution Processes. Bull. Chem. Soc. Jpn., 2010, vol. 83, pp. 1285–1308. DOI: 10.1246/bcsj.20100103

Piquemal J.-Y., Briot E., Bregeault J.-M. Preparation of Materials in the Presence of Hydrogen Peroxide: From Discrete or “Zero-Dimensional” Objects to Bulk Materials. Dalton Trans., 2013, vol. 42, pp. 29–45. DOI: 10.1039/c2dt31660a

Murakami N., Kurihara Y., Tsubota T., Ohno T. Shape-Controlled Anatase Titanium (IV) Oxide Particles Prepared by Hydrothermal Treatment of Peroxo Titanic Acid in the Presence of Polyvinyl Al-cohol. J. Phys. Chem. C, 2009, vol. 113, pp. 3062–3069. DOI: 10.1021/jp809104t

Kefalas E.T., Panagiotidis P., Raptopoulou C.P., Terzis A. et al. Mononuclear Titanium(IV)-Citrate Complexes from Aqueous Solutions: pH-specific Synthesis and Structural and Spectroscopic Studies in Relevance to Aqueous Titanium(IV)-citrate Speciation. Inorg. Chem., 2005, vol. 44, pp. 2596–2605. DOI: 10.1021/ic049276o

Zhou Z.-H., Deng Y.-F., Jiang Y.-Q., Wan H.-L. et al. The First Structural Examples of Tricitratotitanate [Ti(H2cit) 3]2- dianions. Dalton Trans, 2003, vol. 13, pp. 2636–2638.

Deng Y.-F., Jiang Y.-Q., Hong Q.-M., Zhou Z.-H. Speciation of Water-Soluble Titanium Cit-rate: Synthesis, Structural, Spectroscopic Properties and Biological Relevance. Polyhedron, 2007, vol. 26, pp. 1561–1569. DOI: 10.1016/j.poly.2006.08.017

Collins J.M., Uppal R., Incarvito C.D., Valentine A.M. Titanium(IV) Citrate Speciation and Structure Under Environmentally and Biologically Relevant Conditions. Inorg. Chem., 2005, vol. 44, pp. 3431–3440. DOI: 10.1021/ic048158y

Kakihana M., Tada M., Shiro M., Petrykin V. et al. Structure and Stability of Water Soluble (NH4)8[Ti4(C6H4O7)4(O2)4]∙8H2O. Inorg. Chem., 2001, vol. 40, pp. 891–894. DOI: 10.1039/C2RA20388J

Dakanali M., Kelfas E.T., Raptopoulou C.P., Terzis A. et al. A New Dinuclear Ti (IV)-peroxo-citrate Complex from Aqueous Solutions. Synthetic, Structural, and Spectroscopic Studies in Relevance to Aqueous Titanium (IV)-peroxo-citrate Speciation Inorg. Chem., 2003, vol. 42, pp. 4632–4639.

Tada M., Tomita K., Petrykin V., Kakihana M. Preparation and Characterization of Citratoperoxotitanate Barium Compound for BaTiO3 Synthesis. Solid State Ionics, 2002, vol. 151, pp. 293–297. DOI: 10.1016/S0167-2738(02)00726-9

Chen Z., Liu J., Qiu S., Dawson G. et al. The Shape-specific Photocatalytic Efficiency of Quan-tum Size TiO2 Nanoparticles. Catal. Commun., 2012, vol. 21, pp. 1–4. DOI: 10.1016/j.catcom.2012.01.021

Wu J.-M., Qi B. Low-temperature Growth of Monolayer Rutile TiO2 Nanorod Films. J. Am. Ce-ram. Soc., 2007, vol. 90, pp. 657–660. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2006.01453.x

Tomita K., Petrykin V., Kobayashi M., Shiro M. et al. A Water-soluble Titanium Complex for the Selective Synthesis of Nanocrystalline Brookite, Rutile, and Anatase by a Hydrothermal Method. Angew. Chem., Int. Ed. 2006. V. 45. P. 2378–2381. DOI: 10.1002/anie.200503565

Tada M., Yamashita Y., Petrykin V., Osada M. et al. A New Water-soluble Ammonium Citratoperoxotitanate as an Environmentally Beneficial Precursor for TiO2 Thin Films and RuO2/BaTi4O9 Photocatalysts. Chem. Mater., 2002, vol. 14, pp. 2845–2846. DOI: 10.1021/cm011542y

Wu J.-M. Low-temperature Preparation of Titania Nanorods Through Direct Oxidation of Tita-nium with Hydrogen Peroxide. J. Cryst. Growth, 2004, vol. 269, no. 2–4, pp. 347–355. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2004.05.023

Wu J.-M., Zhang T.-W., Zeng Y.-W., Hayakawa S. et al. Large-Scale Preparation of Ordered Titania Nanorods with Enhanced Photocatalytic Activity. Langmuir, 2005, vol. 21, no. 15, pp. 6995–7002. DOI: 10.1021/la0500272

Ribeiro C., Vila C., Stroppa D.B., Mastelaro V.R. et al. Anisotropic Growth of Oxide Nanocrystals: Insights into the Rutile TiO2 Phase. J. Phys. Chem. C, 2007, vol. 111, no. 16, pp. 5871–5875. DOI: 10.1021/jp070051j

Mao Y., Kanungo M., Hemraj-Benny T., Wong S. S. Synthesis and Growth Mechanism of Ti-tanate and Titania One-dimensional Nanostructures Self-assembled into Hollow Micrometer-scale Spherical Aggregates. J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, no. 2, pp. 702–710. DOI: 10.1021/jp0544538

Ichinose H., Terasaki M., Katsuki H. Synthesis of Peroxo-modified Anatase Sol from Peroxo Titanic Acid Solution. J. Ceram. Soc. Jpn., 1996, vol. 104, pp. 715–718.

Ichinose H., Terasaki M., Katsuki H. Properties of Anatase Films for Photocatalyst from Peroxotitanic Acid-solution and Peroxo-modified Anatase Sol. J. Ceram. Soc. Jpn., 1996, vol. 104, pp. 914–917.

Ichinose H., Terasaki M., Katsuki H. Properties of Peroxotitanium Acid Solution and Peroxo-Modified Anatase Sol Derived from Peroxotitanium Hydrate. J. Sol-Gel Sci. Technol., 2001, vol. 22, pp. 33–40. DOI: 10.1023/A:1011256118320

Gao Y., Luo H., Mizusugi S., Nagai M. Surfactant-free Synthesis of Anatase TiO2 Nanorods in an Aqueous Peroxotitanate Solution. Cryst. Growth Des., 2008, vol. 8, no. 6, pp. 1804–1807. DOI: 10.1021/cg701157j

Bao X.-W., Yan S.-S., Chen F., Zhang J.-L. Preparation of TiO2 Photocatalyst by Hydrothermal Method from Aqueous Peroxotitanium Acid Gel. Mater. Lett., 2005, vol. 59, pp. 412–415. DOI: 10.1016/j.matlet.2004.09.035

Shankar M.V., Kako T., Wang D., Ye J. One-pot Synthesis of Peroxo-titania Nanopowder and Dual Photochemical Oxidation in Aqueous Methanol Solution. J. Colloid Interface Sci., 2009, vol. 331, pp. 132–137. DOI: 10.1016/j.jcis.2008.11.019

Liu Y.-J., Aizawa M., Wang Z.-M., Hatori H. et al. Comparative Examination of Titania Nanocrystals Synthesized by Peroxo Titanic Acid Approach from Different Precursors. J. Colloid Inter-face Sci., 2008, vol. 322, pp. 497–504. DOI: 10.1016/j.jcis.2008.03.034

Etacheri V., Seery M.K., Hinder S.J., Pillai S.C. Oxygen Rich Titania: a Dopant Free, High Temperature Stable, and Visible-light Active Anatase Photocatalyst. Adv. Funct. Mater., 2011, vol. 21, pp. 3744–3752. DOI: 10.1002/adfm.201100301

Yang H.G., Sun C.H., Qiao S.Z., Zou J. Anatase TiO2 Single Crystals with a Large Percentage of Reactive Facets. Nature, 2008, vol. 453, pp. 638–641. DOI: 10.1038/nature06964

Liao J., Shi L., Yuan S., Zhao Y., Fang J. Solvothermal Synthesis of TiO2 Nanocrystal Colloids from Peroxotitanate Complex Solution and Their Photocatalytic Activities. J. Phys. Chem. C, 2009, vol. 113, pp. 18778–18783. DOI: 10.1021/jp905720g

Ennaoui A., Sankapal B.R., Skryshevsky V., Lux-Steiner M.Ch. TiO2 and TiO2–SiO2 thin films and powders by one-step soft-solution method: Synthesis and characterizations. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2006, vol. 90, no. 10, pp. 1533–1541. DOI: 10.1016/j.solmat.2005.10.019


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.