Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями

Электрохимическим методом синтезированы пористые структуры ТiО₂ с нановключениями соединений углерода, исследованы их спектральные характеристики, установлены повышенная фоточувствительность и каталитическая активность в процессе электровосстановления кислорода. Електрохемічною методою синтезовано п...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Date:	2010
Main Authors:	Волков, С.В., Лысюк, Л.С., Воробец, В.С., Колбасов, Г.Я., Огенко, В.М.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73186
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями / С.В. Волков, Л.С. Лысюк, В.С. Воробец, Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 963-969. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860249018183974912
author	Волков, С.В. Лысюк, Л.С. Воробец, В.С. Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М.
author_facet	Волков, С.В. Лысюк, Л.С. Воробец, В.С. Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М.
citation_txt	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями / С.В. Волков, Л.С. Лысюк, В.С. Воробец, Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 963-969. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Электрохимическим методом синтезированы пористые структуры ТiО₂ с нановключениями соединений углерода, исследованы их спектральные характеристики, установлены повышенная фоточувствительность и каталитическая активность в процессе электровосстановления кислорода. Електрохемічною методою синтезовано пористі структури ТiО₂ з наноукрапленнями сполук вуглецю, досліджено їх спектральні характеристики, встановлено підвищену фоточутливість і каталітичну активність в процесі електровідновлення кисню. Porous structures of ТiО₂ with nanoinclusions of carbon compounds are synthesized by the electrochemical method; their spectral characteristics are investigated; increased photosensitivity and catalytic activity during oxygen electroreduction are revealed.
first_indexed	2025-12-07T18:41:00Z
format	Article
fulltext	963 PACS numbers:73.50.Pz, 78.67.Rb,81.05.Rm,82.45.Jn,82.50.Hp,82.80.Fk, 82.80.Ms Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями С. В. Волков, Л. С. Лысюк, В. С. Воробец, Г. Я. Колбасов, В. М. Огенко Институт общей и неорганической химии НАН Украины, просп. Акад. Палладина, 32/34, 03680, ГСП, Киев-142, Украина Электрохимическим методом синтезированы пористые структуры ТiО2 с нановключениями соединений углерода, исследованы их спектральные характеристики, установлены повышенная фоточувствительность и ка- талитическая активность в процессе электровосстановления кислорода. Електрохемічною методою синтезовано пористі структури ТiО2 з наноу- крапленнями сполук вуглецю, досліджено їх спектральні характерис- тики, встановлено підвищену фоточутливість і каталітичну активність в процесі електровідновлення кисню. Porous structures of ТiО2 with nanoinclusions of carbon compounds are synthesized by the electrochemical method; their spectral characteristics are investigated; increased photosensitivity and catalytic activity during oxygen electroreduction are revealed. Ключевые слова: оксид титана, наноструктуры углерода, фоточувстви- тельность, электрокатализ. (Получено 19 октября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Интерес к мезопористому оксиду титана в значительной степени связан с его фотохимической активностью. Этот нетоксичный по- лупроводник с шириной запрещённой зоны 3,2 эВ активно окисля- ет органические соединения до СО2 и Н2О. Он принадлежит к пер- спективным фотокатализаторам, которые можно использовать для очистки воды и воздуха от органических токсинов, а также для со- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2010, т. 8, № 4, сс. 963—969 © 2010 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 964 С. В. ВОЛКОВ, Л. С. ЛЫСЮК, В. С. ВОРОБЕЦ и др. здания способных к самоочистке антибактериальных покрытий [1]. Одним из эффективных приёмов получения фотокаталитических слоёв является золь—гель-метод осаждения на подложке наноча- стиц TiО2 из тетрахлорида титана с последующим отжигом [2]. Ак- тивность фотокатализатора на основе TiО2 определяется главным образом его кристалличностью, фазовым составом, размером ча- стиц, величиной доступной поверхности. Распространённым спосо- бом модифицирования TiО2 является допирование ионами метал- лов. При этом происходят изменения микроструктуры и оптиче- ских свойств оксида титана. Допанты также влияют на динамику носителей заряда, что может приводить к увеличению фотокатали- тической активности материала [3]. Целью данной работы, предваряющей дальнейшее изучение по- лученных электрохимическим методом наноструктурных компози- тов титан/оксид титана/углерод, является исследование фотоак- тивности и электрокаталитических характеристик оксидированно- го титана с нановключениями углерода в порах и на поверхности оксидного слоя. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследованы три вида материалов на основе титановой фольги, а именно: образец 1 – титан, анодно-оксидированный в сернокис- лотном электролите в течение 3 час при комнатной температуре, напряжении 20 В; образец 2 – оксидированный титан с нановклю- чениями углерода в порах оксидного слоя; образец 3 – отличался от образца 2 тем, что фрактальные углеродные наноструктуры ча- стично покрывали поверхность оксидного слоя титана. В данной работе углеродные наноструктуры формировались на поверхности титановых электродов в ходе их анодного пассивирования путём электрохимической дегидроциклизации аренов, как описано в [4]. После завершения электрохимической обработки электроды про- мывали дистиллированной водой и высушивали на воздухе. При добавлении в электролит 3—5 масс.% органического соеди- нения класса аренов в пористом оксидном слое появляются элек- тропроводные углеродные включения. Их размеры сопоставимы с диаметром пор, т.е. имеют порядок сотен нанометров. Нанокомпо- зитные материалы такого рода представлены образцом 2. Для получения образца 3 некоторое количество ароматического углеводорода (марки «х.ч.», «ч.д.а») вводится в околоанодное про- странство электрохимической ячейки над слоем электролита. В диапазоне напряжений 50—70 В на поверхности оксидированного анода наблюдаются локальные искровые разряды, которые иници- ируют реакцию дегидроциклизации арена, что проявляется в за- рождении и дальнейшем разрастании фрактальных углеродных ФОТОАКТИВНОСТЬ И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ 965 структур [5]. Толщина образующихся углеродных слоёв возрастает с увеличением приложенного напряжения. Геометрическое строение образцов исследовано методом скани- рующей электронной микроскопии (ULTRA 55). Состав поверхностного слоя материалов проанализирован мето- дом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС МХ7304А, про- изводства АО «SELMI», г. Сумы, Украина). Электрокаталитическую активность материалов в процессе вос- становления кислорода изучали по вольт-амперным зависимостям, измерявшимся в потенциодинамическом режиме с использованием электрохимического стенда на базе ПК, имеющего такие характери- стики: измеряемые токи 2⋅10—9—10—1 А, скорость развёртки потенци- ала 0,01—50 мВ⋅с—1, диапазон изменения потенциала рабочего элек- трода −4—+4 В. Электрохимические измерения выполняли по трёх- электродной схеме в ячейке с разделёнными катодным и анодным пространствами. В качестве рабочего электрода использовали полу- ченные плёнки TіO2 на титановой подложке. Как вспомогательный электрод использовали платину, электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод (ХСЭ). Измерения выполняли в 0,9% рас- творе NaCl. Фоточувствительность электродов определяли по спектрам фото- электрохимического тока в интервале длин волн 250—600 нм. Ис- следования выполняли в кварцевой электрохимической ячейке при освещении образцов ксеноновой лампой высокого давления ДКСШ- 500, свет модулировался с частотой 20 Гц, проходил через моно- хроматор и фокусировался на полупроводниковом электроде. 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ На рисунке 1 показаны особенности пористой структуры поверх- ностного слоя оксидированного титана. Видно, что диаметр, прони- зывающих оксидную плёнку тонких пор, варьируется в диапазоне 100—300 нм. Рельефная внешняя поверхность оксидной плёнки фак- тически представляет собой более крупные (примерно, на порядок) открытые мезопоры, то есть наблюдается наномезопористая струк- тура. В процессе отмывания и высушивания материалов примеси во- дорастворимого электролита удаляются из порового пространства, а модифицирующие углеродные структуры фиксируются в порах. Методом вторичной ионной масс-спектрометрии выполнен срав- нительный анализ поверхности образцов синтезированных титано- вых материалов. Спектр вторичных ионов образца 2 представлен на рис. 2. Первичные ионы – Ar, EAr = 90, IAr = 15 мкA. На масс-спектрах всех материалов максимальную интенсивность имеет сигнал Ті +, m/z = 48, и его изотопы с массовыми числами 46 966 (8%), 47 (ТіО+, m Для обсу тически метод ВИ исследов десорбци изложен Элект ления ки рисунке Рис. 1. Эле Рис. 2. Сп титана (об С. В. ВО 7 (≈ 8%), 49 m/z = 66) и, уждения с представл ИМС явля ваний под ионной мас ны в работа рокаталит ислорода о 3 приведе а ектронные м пектры масс бразца 2). П ОЛКОВ, Л. С. 9 (5,5%), 5 соответств состава и с ляющих со яется недос обных угл сс-спектро ах [5, 6]. тические св оценивали ены поляр микрофотогр с (ВИМС) мо Потенциал об . ЛЫСЮК, В. 50 (≈ 5%). В венно, ион строения у обой допан статочно и леродных ометрии и войства об по вольт-а ризационны рафии повер одифициров бразца– 15 . С. ВОРОБЕЦ Видно нали нов оксидо углеродных нты в окси информати структур LDI TоF м бразцов в р амперным ые зависим б рхности окси ванного анод 5В, режимВ Ц и др. ичие оксид ов изотопов х включен идном слое ивным. Рез методами масс-спектр реакции во зависимо мости восс идированног дно-оксидир ВЭУ– анал да титана в титана. ний, фак- е титана, зультаты полевой рометрии осстанов- стям. На становле- го титана. рованного логовый. ФОТОАКТ ния кис −1,2 В (о волна то которых лученны Харак становле ния окси При п ходит ре ких като Приве родных каталити Это пр кислород −0,86—−0 Рис. 3. В зиологич дифицир Tі без угл нии поте цикл. Ско ТАБЛИЦ Е1/2 и ши TіO2, пол Образе Е1/2, В Еg, эВ ИВНОСТЬ И Э лорода на относитель ока. Анало х активный ых золь-гел ктерно, что ения кисло ида титана потенциала еакция выд одных поте едённые д структур в ическую ак роявляется да Е1/2 в ст 0,89 В до Вольт-ампер ческом раств ованном угл леродных в енциала: (2 орость разв ЦА. Значени ирины запр лученной зо ец В − В ЭЛЕКТРОКАТ титановы ьно ХСЭ). гичная зав й слой был ль-методом о для таки орода Е1/2 с и его моди ах Е < −1,3 деления во енциалах. анные сви в плёнках ктивность я в сдвиге п торону уме −0,37 В (т рные кривы воре NaCl: 1 леродом (об включений ) – первый ёртки потен ия потенци рещённой зо оль—гель-ме 1 0,89 3,2 ТАЛИТИЧЕС ых электрод Наблюдае висимость л сформир м [2]. их структу существенн фицирован 3 В на исс одорода, ос идетельств оксида ти электродо потенциал еньшения табл.). Дл ые электров 1 – на анод бразец 3); 2— (образец 1) й цикл; (3) нциала 10 м иала полуво оны Еg на т етодом (обра 2 −0,86 3,2 СКИЕ СВОЙСТ дах при по тся одна п получена ован из на ур потенци но зависит ния, как по ледованны собенно ак вуют, что итана суще ов на его ос ла полувол отрицател ля покрыти осстановлен дно-оксидир —4 – на ано ) при много ) – третий мВ⋅с−1. олны восста титановых э азец 4). 3 −0,37 – ТВА ПОВЕРХН отенциала полярограф для электр аночастиц иал полуво от способа оказано в т ых электро тивно – п присутств ественно у нове. ны восстан льных знач ий из полу ния кислор рованном ти дно-оксиди ократном ци цикл; (4) ановления к электродах 7 −0,5 3 ХНОСТИ 967 ах +0,40— фическая родов, на TіO2, по- олны вос- а получе- табл. одах про- при высо- вие угле- улучшает новления чений: от ученного рода в фи- итане, мо- ированном иклирова- – пятый кислорода и плёнке 4 52—−0,55 3,15 968 золь—гел −0,52—−0 образцов лирован ходимос Фоточ в интерв Из пр квантово рода зна титана. дифицир разцами диоксид новую ча электрох зана с ра стиц мен На осн запрещё натах (η в TіO2. Н дованны Извес или мон частиц п для наш эВ свиде Рис. 4. За го света дированн ТіО2, пол С. В. ВО ль-методом 0,55 В (отн в электрод ия потенц сть их даль чувствител вале длин в редставленн ого выхода ачительно Это указы рованного и. Для плён а титана к асть спектр химически азными усл ньших разм новании сп ённой зоны hν)1/2 = f(hν Найденные ых образцов тно, что ш нокристалл полупровод ших образцо етельствую ависимость hν на обр ного Ті с лученного зо ОЛКОВ, Л. С. м дисперс носительно дных матер иала являе нейшей об льность раз волн 250—6 ных на рис для оксид выше, чем ывает на по TіO2 по ср нки получ край фоточ ра по сравн им методом ловиями кр меров. пектров фо ы Еg. Для э ν − Еg) для е с помощь в приведен ширина за лов TіO2 со дников вел ов экспери ют о том, чт ь квантового разцах анод углеродным оль—гель-ме . ЛЫСЮК, В. ного TіO2 о ХСЭ) [2]. риалов в п ется невыс бработки. зработанны 600 нм. с. 4 зависи дированног м для чист овышенну равнению с енного зол чувствител нению с об м. Такая о ристаллиз ототоков оп этого спект я непрямых ью этого м ны в табл. апрещённо оставляет 3 личина Еg иментальны то активны о выхода ф дно-оксидир ми включе етодом (4). . С. ВОРОБЕЦ 2 значения Стабильно процессе м сокой, что ых материа имостей ви о титана с того анодн ую фоточув с немодиф ль—гель-ме льности см бразцами, с особенност зации TіO2 пределены тры перест х зона-зонн етода знач й зоны дл 3,0 эВ, а д g возрастае ые значени ый оксидн фототока η о рованного ениями (2) Ц и др. я Е1/2 сос ость характ многоразов указывает алов иссле идно, что в включения о-оксидир вствительн фицированн етодом дис ещён в дли синтезиров ть может б и образова ы значения траивали в ных фотоп чения Еg дл ля толстых для нанора ет [7]. Пол ия Еg на ур ый поверх от энергии Ті (1), ано и наноди ставляют теристик вого цик- т на необ- едовалась величина ями угле- рованного ность мо- ными об- сперсного инновол- ванными быть свя- анием ча- ширины в коорди- переходов ля иссле- х плёнок азмерных лученные ровне 3,2 хностный падающе- одно-окси- исперсного ФОТОАКТИВНОСТЬ И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ 969 слой исследованных материалов является наноструктурным. Такой вывод согласуется с данными электронной микроскопии о нано- мезопористой структуре поверхностного слоя образцов оксидиро- ванного титана и показателями повышенной активности этих мате- риалов в фото- и электрокаталитических процессах. Дальнейшей задачей в развитии данного направления исследований будет выяс- нение механизма фотоэлектрохимической активности композитов и разработка методов стабилизации полученных систем Tі/TіO2/С в фотохимических и электрокаталитических процессах. 4. ВЫВОДЫ Сформированный вследствие анодного оксидирования на поверхно- сти титана пористый оксидный слой с включениями углеродных наноструктур обладает повышенной фоточувствительностью и электрокаталитической активностью в процессах восстановления кислорода. Такие композитные материалы могут иметь практиче- ское применение в фотоэлектрохимических и сенсорных системах. Работа выполнена в рамках целевой комплексной программы фунда- ментальных исследований НАН Украины «Фундаментальные про- блемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий». ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. В. М. Хороших, В. А. Белоус, ФIП ФИП PSE, 7, № 3, 223 (2009). 2. В. С. Воробець, Г. Я. Колбасов, М. О. Карпушин, С. Я. Обловатна, Вісник ХНУ, 12(35), № 648: 137 (2005). 3. М. В. Харламова, И. В. Колесник, А. А. Елисеев, А. В. Лукашин, Ю. Д. Третьяков, Тез. докл. VIII Meжд. конф. Кисловодск—Ставрополь (СевКав- ГТУ: 2008), с. 458. 4. В. М. Огенко, Л. С. Лысюк, С. В. Волков, А. П. Шпак, Пат. Украины 67269 (2003). 5. L. S. Lysyuk, V. M. Ogenko, S. V. Volkov, and A. P. Shpak, ‘Hydrogen Ma- terials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Eds. T. N. Vezi- roglu et al.) (Dordrecht: Springer: 2007), p. 297. 6. V. Ogenko, L. Lysyuk, O. Naboka et al., Abstr. First Intern. Conf. on Mate- rials for Energy (July 4—8, 2010, Karlsruhe, Germany), book B, p. 1029. 7. Р. Ф. Хайрутдинов, Успехи химии, 67, № 2: 125 (1998).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-73186
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:41:00Z
publishDate	2010
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Волков, С.В. Лысюк, Л.С. Воробец, В.С. Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М. 2015-01-05T20:18:11Z 2015-01-05T20:18:11Z 2010 Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями / С.В. Волков, Л.С. Лысюк, В.С. Воробец, Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 963-969. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 73.50.Pz, 78.67.Rb, 81.05.Rm, 82.45.Jn, 82.50.Hp, 82.80.Fk, 82.80.Ms https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73186 Электрохимическим методом синтезированы пористые структуры ТiО₂ с нановключениями соединений углерода, исследованы их спектральные характеристики, установлены повышенная фоточувствительность и каталитическая активность в процессе электровосстановления кислорода. Електрохемічною методою синтезовано пористі структури ТiО₂ з наноукрапленнями сполук вуглецю, досліджено їх спектральні характеристики, встановлено підвищену фоточутливість і каталітичну активність в процесі електровідновлення кисню. Porous structures of ТiО₂ with nanoinclusions of carbon compounds are synthesized by the electrochemical method; their spectral characteristics are investigated; increased photosensitivity and catalytic activity during oxygen electroreduction are revealed. Работа выполнена в рамках целевой комплексной программы фундаментальных исследований НАН Украины «Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий». ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями Article published earlier
spellingShingle	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями Волков, С.В. Лысюк, Л.С. Воробец, В.С. Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М.
title	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
title_full	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
title_fullStr	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
title_full_unstemmed	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
title_short	Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
title_sort	фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73186
work_keys_str_mv	AT volkovsv fotoaktivnostʹiélektrokatalitičeskiesvoistvananostrukturirovannoipoverhnostioksidirovannogotitanasuglerodnymivklûčeniâmi AT lysûkls fotoaktivnostʹiélektrokatalitičeskiesvoistvananostrukturirovannoipoverhnostioksidirovannogotitanasuglerodnymivklûčeniâmi AT vorobecvs fotoaktivnostʹiélektrokatalitičeskiesvoistvananostrukturirovannoipoverhnostioksidirovannogotitanasuglerodnymivklûčeniâmi AT kolbasovgâ fotoaktivnostʹiélektrokatalitičeskiesvoistvananostrukturirovannoipoverhnostioksidirovannogotitanasuglerodnymivklûčeniâmi AT ogenkovm fotoaktivnostʹiélektrokatalitičeskiesvoistvananostrukturirovannoipoverhnostioksidirovannogotitanasuglerodnymivklûčeniâmi

Фотоактивность и электрокаталитические свойства наноструктурированной поверхности оксидированного титана с углеродными включениями

Institution

Similar Items