Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом

Structure and properties of the oxide films Fe/Ti=1:1 prepared by a sol-gel method from iron(III) chloride and titanium tetraisopropoxide were studied using TEM, EDX, and XRD as well as optical absorption and Mőssbauer spectroscopy. The films have been shown to be Fe2Ti2O7 phase. They demonstrate a...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2004
Hauptverfasser: Rusina, O., Linnik, O., Smirnova, N., Eremenko, A., Kish, H.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2004
Online Zugang:https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/145
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Surface
Завантажити файл: Pdf

Institution

Surface
_version_ 1869291240450686976
author Rusina, O.
Linnik, O.
Smirnova, N.
Eremenko, A.
Kish, H.
author_facet Rusina, O.
Linnik, O.
Smirnova, N.
Eremenko, A.
Kish, H.
author_institution_txt_mv [ { "author": "O. Rusina", "institution": "Університет м. Нюрнберг" }, { "author": "O. Linnik", "institution": "Університет м. Нюрнберг" }, { "author": "N. Smirnova", "institution": "Інститут хімії поверхні НАН України" }, { "author": "A. Eremenko", "institution": "Інститут хімії поверхні НАН України" }, { "author": "H. Kish", "institution": "Університет м. Нюрнберг" } ]
author_sort Rusina, O.
baseUrl_str
collection OJS
datestamp_date 2018-11-27T09:41:38Z
description Structure and properties of the oxide films Fe/Ti=1:1 prepared by a sol-gel method from iron(III) chloride and titanium tetraisopropoxide were studied using TEM, EDX, and XRD as well as optical absorption and Mőssbauer spectroscopy. The films have been shown to be Fe2Ti2O7 phase. They demonstrate a photocatalytic activity in the processes of dichloroacetic acid photomineralization and N2 photoreduction under UV as well as visible light irradiation. In the presence of ethanol and traces of oxygen, dinitrogen is reduced to ammonia and nitrate-ion, hydrazine being found to be an intermediate product.
first_indexed 2025-07-22T19:30:37Z
format Article
fulltext Хімія, фізика та технологія поверхні. 2004. Вип. 10. С.85-89 85 УДК 541.183 ФОТОКАТАЛІТИЧНА АКТИВНІСТЬ НАНОКРИСТАЛІЧНИХ Fe/TiO2 ПЛІВОК ПІД ДІЄЮ ОПРОМІНЕННЯ УФ ТА ВИДИМИМ СВІТЛОМ О. Русина2, О. Ліннік2, Н. Смірнова1, Г. Єременко1, Х. Кіш2 1Інститут хімії поверхні НАН України вул. Ген. Наумова 17, 03164 Київ-164; e-mail: annerem@mail.kar.net 2Факультет неорганічної хімії Університету м. Нюрнберг, Німеччина Методами електронної мікроскопії, рентгенівської, оптичної та Месбауерівської спектроскопії досліджено структуру та властивості оксидних плівок Fe/Ti=1:1, синтезованих золь-гель методом з хлориду заліза (ІІІ) та тетраізопропоксиду титану. Показано, що плівки складаються з Fe2Ti2O7 фази. Синтезовані плівки демонструють каталітичну активність в реакціях фотомінералізації діхлороцтової кислоти та фотовідновлення азоту під дією УФ та видимого світла. В присутності етанолу та слідів кисню на Fe/Ti плівках молекулярний азот відновлюється до амоніаку та нітрат-іона, як проміжний продукт зафіксовано гідразин. Structure and properties of the oxide films Fe/Ti=1:1 prepared by a sol-gel method from iron(III) chloride and titanium tetraisopropoxide were studied using TEM, EDX, and XRD as well as optical absorption and Mőssbauer spectroscopy. The films have been shown to be Fe2Ti2O7 phase. They demonstrate a photocatalytic activity in the processes of dichloroacetic acid photomineralization and N2 photoreduction under UV as well as visible light irradiation. In the presence of ethanol and traces of oxygen, dinitrogen is reduced to ammonia and nitrate-ion, hydrazine being found to be an intermediate product. Вступ Серед напівпровідників, що застосовуються в фотокаталізі, діоксид титану виявився найбільш придатним для вирішення проблем довкілля як найбільш фотоактивний, нетоксичний, дешевий, хімічно та біологічно інертний та фотостабільний [1, 2]. Останнім часом перевага надається покриттям та плівкам на основі діоксиду титану, розроблені зручні золь-гель методи синтезу [3, 4] функціональних матеріалів для фотокаталізу та оптоелектроніки [5, 6]. Зусилля дослідників спрямовано на розширення спектрального діапазону фоточутливості ТіО2 на видиму ділянку сонячного спектру шляхом модіфікування органічними (молекулами барвників) [7] або неорганічними (3d-метали, зокрема Fe3+) сенсібілизаторами [8-10]. Фіксація азоту є другим найбільш важливим хімічним процесом в природі після фотосинтезу. М’які умови ферментативних реакцій стимулювали велику кількість досліджень синтезу та реакційної здатності комплексів N2 з перехідними металами в умовах термічної активації [11-13]. В роботі досліджено фотокаталітичну активність синтезованих золь-гель методом залізовмісних плівок на основі діоксиду титану зі співвідношенням Fe:Ті=1:1 в реакції фотомінералізації діхлороцтової кислоти та фотовідновлення азоту під дією УФ та видимого світла. 86 Експериментальна частина Синтез плівок із співвідношенням Fe/Ti 1:1. 2,5 г FeCl3 розчиняли в 54 мл абсолютного етанолу і додавали 4,5 мл Ti(i-ОC3H7)4. Після 10 хв. інтенсивного перемішування з розчину витягували плівки на скляний субстрат (зі швидкістю 6 см/хв.), залишали при кімнатній температурі 15-20 хв. для гідролізу і прожарювали на повітрі при 600оC 20 хв. Кристалічна структура була визначена за допомогою дифракції рентгенівських променів (XRD). Товщину плівок TiO2 визначали, використовуючи електронний мікроскоп. Електронні спектри поглинання TiO2 і Fe-TiO2 плівок реєстрували за допомогою спектрофотометра Hitachi U 3000. Мікроструктура плівок досліджена за допомогою електронного мікроскопа (Philips CM 12 TEM/STEM) з напругою прискорення 120 кВ. Дисперсійний EDX-мікроаналіз за допомогою рентгенівських променів виконано на приладі EDAX-8800, детектор з Be-вікнами. Швидкість фотокаталітичного окиснення діхлороцтової кислоди вивчена за допомогою рН-метричного титруванням розчином NaOH. Реакційний розчин складався з 0,2525 г (2,5 мл) KNO3, 0,1 мл (0,151 г) CHCl2COOH, 1 мл 1н NaOH, який розводили водою до 250 мл. Стандартний рівень рН=3 підтримували 0,1н розчином NaOH, використовуючи автоматичний потенціостат. Реактор охолоджували проточною водою, пропускали через реактор 10 л кисню на годину. В експериментах по фотовідновленню азоту через реактор, що містив 3 плівки, занурені в водно-спиртову суміш, і опромінювався світлом ртутної лампи з λ≥320 нм, або λ≥430 нм з використанням відповідних фільтрів, пропускали азот. Кількість амонію, яка утворилась, визначали колориметричним методом [14], нітрити та нітрати визначали за допомогою іонної хроматографії. Результати та їхнє обговорення Електронна мікроскопія свідчить, що залізовмісні плівки на основі діоксиду титану зі співвідношенням Fe:Ті=1:1 складаються з наноструктурної матриці завтовшки біля 300 нм, яка містить 15-20% кубічних кристалів з середнім діаметром 150 нм. Співвідношення Fe:Ті:О дорівнює 1:1:3,5. Такий склад підтверджує присутність фази Fe2Ті2О7 (титанату заліза, який раніше був зафіксований лише як проміжна фаза при термообробці ільменіту в атмосфері кисню при 700оС). Ці результати узгоджуються з даними по дифракції рентгенівських променів: пікі з 2θ = 26,53; 31,63; 41,19; 54,01; 56,17о і відповідно, d=3,36; 2,85; 2,23; 1,70; 1,64 Ǻ (рис. 1, а) не можуть бути віднесені ані до рутилу, ані до гематиту, і є характерними для Fe2Ті2О7 фази (d= 3,37; 2,87; 2,20; 1,70; 1,64 Ǻ). 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 І, ві дн . о д . 2q а -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0,96 0,98 1,00 T V, мм/сек-1 б Рис. 1. Дифрактограма (а; * - рефлекси Fe2Ті2О7 фази) та Месбауерівський спектр (б) Fe:Ті=1:1 плівки 87 Месбауерівський спектр (рис. 1, б) містить дублет біля δ (відносно α-Fe) = 0,462 мм/с, ΔЕQ=0,910 мм/с, ширина ліній 0,294 мм/с, що свідчить про присутність гексакоординованих Fe(ІІІ) іонів. Хоча такі значення майже збігаються з характерними для псевдобрукіту, співвідношення компонентів Fe:Ті=1:1 вказує на іншу сполуку. Відсутні і будь-які ознаки Fe(ІІІ) оксидної фази, для якої відоме [15] значно менше значення ΔЕQ (0,24 мм/с). 400 500 600 700 0 1 2 3 VIS UV TiO2 Fe/TiO 2 О пт ич на г ус ти на l, нм 0 50 100 150 0,0 0,5 1,0 1,5 6 5 43 2 1 V 0, 1 М N aO H , м л Час, хв Рис. 2. Спектри поглинання ТіО2 та Fe/Ті=1:1 плівок. Рис. 3. Фотомінералізація діхлороцтової кис- лоти на TiO2 (1,4) та Fe:Ti=1:1 плівках (2,3,5,6) під дією опромінення УФ (λ>320 нм – 1,2,4,6) та видимим світлом (λ>420 нм – 3,5). Fe2Ті2О7 плівки мають яскраво-червоне забарвлення, спектр поглинання зсувається в червону область спектру в порівнянні з ТіО2 плівкою (рис. 2). Під дією УФ-світла TiO2-частки в присутності O2 фотокаталітично окиснюють діхлороцтову кислоту за наступною схемою: hn CHCl2CO2 - + O2 ® 2 CO2 + H+ + 2 Cl- (h+, e-). Опромінення розчину діхлороцтової кислоти в присутності плівок TiO2 і Fe/TiО2 та кисню призводить до звільнення протонів. Максимальна кількість H+ спостерігається після 2,5 год. опромінення (рис. 3). Тонкі плівки діоксиду титану і Fe/TiО2 є більш ефективними фотокаталізаторами, ніж два (і більше) покриття. На Fe/Ti плівках фоторозклад відбувається як під дією УФ (l>320 нм), так і видимого світла (l>420 нм), хоча і з дещо нижчою ефективнистю. Активність може бути відновлена за допомогою прожарювання плівки на повітрі при 500оС. Під дією УФ опромінення Fe/TiО2 плівок в водно-спиртовій суміші при постійному пропусканні азоту спостерігалось утворення амоніаку в кількості 3-17 мкмоль/л в залежності від складу розчину. Вихідні концентраціі амоніаку вимірювались перед кожним експериментом і були на рівні слідових кількостей – менше 2 мкмоль/л. Найбільша концентрація амоніаку виявилась під час опромінення суміші з вмістом 75% С2Н5ОН. За таких умов експерименту через 90 хв. опромінення було виявлено ацетальдегід, концентрація якого досягала 13 мкмоль/л через 24 год. Плівки неактивні як в чистому етанолі, так і в водному середовищі. Для перевірки, чи не пов’язаний індуктивний період формування амоніаку з утворенням інтермедіату, розчин перевіряли на наявність гідразину та виявили його утворення протягом перших хвилин реакції з максимальною концентрацією через 20 хв. Треба зазначити, що приготований в аналогічних умовах оксид заліза(ІІІ) не продукує амоніаку в усьому діапазоні співвідношень Н2О:С2Н5ОН. Fe2Ti2O7 плівки активно каталізували фотофіксацію азоту і при опроміненні видимим світлом: Fe2Ti2O7 + hν ® Fe2Ti2O7 (h+, e-). 88 1007550250 0 5 10 15 20 Ti/Fe=1:0 Ti/Fe=2:1 Ti/Fe=1:1 К он це нт ра ці я N H 4+ [ мк M ] Концентрація EtOH [%] Рис. 4. Залежність концентрації амоніаку від вмісту етанолу в воді та співвідношення Fe/Ti в плівках під час УФ-опромінення (l>320 нм) протягом 90 хв. Фотогенеровані електрони зони провідності відновлюють воду до атомарного водню, який далі відновлює молекулярний азот. Дірки валентної зони, що утворюються при опроміненні, окиснюють етанол до гідроксиетилрадікалу і далі до ацетальдегіду. Наступним кроком реакції у випадку, коли азот замінювали повітрям, є окиснення амоніаку до нітріт-, а потім до нітрат–іонів, що виявлялись в кількості 45 мкмоль/л на плівках та 7 мкмоль/л в розчині. Механізми фотофіксації азоту під дією УФ та видимого світла запропоновані на основі енергетичних діаграм для TiО2 та Fe2Ti2О7 плівок, побудованих за результатами прямих електрохімічних вимірів потенціалів пласких зон [12]: Висновки Синтезовано рівномірно-пористі, тонкі Fe/ТіО2 плівки на скляних субстратах, які містять нанокристаліти титанату заліза Fe2Ті2О7 та анатазу. Фотоокиснення діхлороцтової кислоти та фотовідновлення азоту на синтезованих плівках відбувається під дією як УФ-, так і видимого світла. Проміжними продуктами фотовідновлення азоту є амоній та гідразин. Максимальну кількість амонію зафіксовано для Ti:Fe= 1:1 (після термообробки при 600оC) в 75% етанолі. Спостерігали формування NOx - на поверхні плівок і в розчині. Після промивки водою плівка може бути використана вдруге і втретє. 89 Література 1. Bahnemann D.W., Bockelmann D., Goslich R., Hilgendorff M. // Aquatic and Surface Photochemistry / G.R. Helz, R.G. Zepp, D.G. Crosby, Eds. - Lewis Publishers, Boca Raton, FL, 1994. 2. Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T. TiO2-Photocatalysis: Fundamentals and Applications. - BKC Inc, 1999. 3. Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-Gel Science. - New York: Academic Press, 1990. 4. Dislich H. // Sol-Gel Technology for Thin Films, Fibers, Performs, Electronics and Specialty Shapes / L.C. Klein, Ed. - Park Ridge, NJ: Noyes Publication, 1988. 5. Maĉedo M.A., Dall’Antonia L.H., Valla B., Aegerter M.A. Electrochromic smart windows // J. Non-Cryst. Solids. – 1992. – V. 147-148. – P.792-798. 6. Tachibana Y., Rubtsov I., Montanari I., Yoshihara K., Klug D.R., Durrant J.R. Transient luminescence studies of electron injection in dye sensitised nanocrystalline TiO2 films // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. – 2001.- V. 142. - P.215-220. 7. Kamat P., Chouvet, J-P., Fessenden R.W. Photosensitization of a TiO2 semiconductor with a chlorophyl analog. // J. Phys. Chem. - 1986. - V. 90. - P.1389-1393. 8. Litter M.I., Navio J.A. Comparison of the photocatalytic efficiency of TiO2, iron oxides and mixed Ti(IV)-Fe(III) oxides: photodegradation of oligocarboxylic acids // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. – 1994. - V. 84. - P.183-193. 9. Litter M.I., Navio J.A. Photocatalytic properties of iron-doped titania semiconductors // J. Photochem. Photobiol A: Chem. – 1996. - V. 98. - P.171-181. 10. Smirnova N., Eremenko A., Rusina O., Hopp W., Spanhel L. Synthesis and characterization of photocatalytic porous Fe3+/TiO2 layers on glass // J. Sol-Gel Sci. Techn. - 2001. - V. 21. - P.109-113. 11. Soria J., Conessa J.C., Augugliaro V., Palmizano L., Schiavello M., Sclafani A. Dinitrogen photoreduction to ammonia over titanium dioxide powders doped with ferric ions // J. Phys. Chem. - 1991. - V. 95. - P.274-282. 12. Rusina O. PhD Thesis Institut fur Anorganische chemie, Universitat Erlangen-Nurnberg, 2001. 13. Rusina O., Linnik O., Eremenko A., Kisch H. Nitrogen photofixation on nanostructured titanate films // Chem. Eur. J. – 2003. –V. 9, N 2. - P.561-565. 14. Kruse J. Mellon M.G. Colorimetric method for the determination of micromolar NH3 concentrations // Sewage and Industrial Wastes. - 1952. – V. 24. – P.1098-1100. 15. Goldanski V.I., Herber R.H. Chemical Application of Mössbauer Spectroscopy. - New York, London: Acad. Press, 1968. УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 УДК 541.183 2Факультет неорганічної хімії Університету м. Нюрнберг, Німеччина 2Факультет неорганічної хімії Університету м. Нюрнберг, Німеччина Вступ Експериментальна частина Результати та їхнє обговорення Результати та їхнє обговорення Результати та їхнє обговорення Результати та їхнє обговорення Результати та їхнє обговорення Месбауерівський спектр (рис. 1, б) містить дублет біля δ (відносно α-Fe) = 0,462 мм/с, ΔЕQ=0,910 мм/с, ширина ліній 0,294 мм/с, що свідчить про присутність гексакоординованих Fe(ІІІ) іонів. Хоча такі значення майже збігаються з характерними для псевдобрукіту, співвідношення компонентів Fe:Ті=1:1 вказує на іншу сполуку. Відсутні і будь-які ознаки Fe(ІІІ) оксидної фази, для якої відоме [15] значно менше значення ΔЕQ (0,24 мм/с). Література
id oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-145
institution Surface
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-03-12T17:04:26Z
publishDate 2004
publisher Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv surfacezbircomua/bc/537a92ff1f5996fe175ec4b1007346bc.pdf
spelling oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-1452018-11-27T09:41:38Z Photocatalytical activity of nanocrystalline Fe/TiO2 films irradiated by UV and visible light Photocatalytical activity of nanocrystalline Fe/TiO2 films irradiated by UV and visible light Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом Rusina, O. Linnik, O. Smirnova, N. Eremenko, A. Kish, H. Structure and properties of the oxide films Fe/Ti=1:1 prepared by a sol-gel method from iron(III) chloride and titanium tetraisopropoxide were studied using TEM, EDX, and XRD as well as optical absorption and Mőssbauer spectroscopy. The films have been shown to be Fe2Ti2O7 phase. They demonstrate a photocatalytic activity in the processes of dichloroacetic acid photomineralization and N2 photoreduction under UV as well as visible light irradiation. In the presence of ethanol and traces of oxygen, dinitrogen is reduced to ammonia and nitrate-ion, hydrazine being found to be an intermediate product. Structure and properties of the oxide films Fe/Ti=1:1 prepared by a sol-gel method from iron(III) chloride and titanium tetraisopropoxide were studied using TEM, EDX, and XRD as well as optical absorption and Mőssbauer spectroscopy. The films have been shown to be Fe2Ti2O7 phase. They demonstrate a photocatalytic activity in the processes of dichloroacetic acid photomineralization and N2 photoreduction under UV as well as visible light irradiation. In the presence of ethanol and traces of oxygen, dinitrogen is reduced to ammonia and nitrate-ion, hydrazine being found to be an intermediate product. Методами електронної мікроскопії, рентгенівської, оптичної та Месбауерівської спектроскопії досліджено структуру та властивості оксидних плівок Fe/Ti=1:1, синтезованих золь-гель методом з хлориду заліза (ІІІ) та тетраізопропоксиду титану. Показано, що плівки складаються з Fe2Ti2O7 фази. Синтезовані плівки демонструють каталітичну активність в реакціях фотомінералізації діхлороцтової кислоти та фотовідновлення азоту під дією УФ та видимого світла. В присутності етанолу та слідів кисню на Fe/Ti плівках молекулярний азот відновлюється до амоніаку та нітрат-іона, як проміжний продукт зафіксовано гідразин. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2004-06-16 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/145 Surface; No. 10 (2004): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 85-89 Поверхность; № 10 (2004): Химия, физика и технология поверхности; 85-89 Поверхня; № 10 (2004): Хімія, фізика та технологія поверхні; 85-89 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/145/144 Авторське право (c) 2004 О. Русина, О. Ліннік, Н. Смірнова, Г. Єременко, Х. Кіш
spellingShingle Rusina, O.
Linnik, O.
Smirnova, N.
Eremenko, A.
Kish, H.
Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title_alt Photocatalytical activity of nanocrystalline Fe/TiO2 films irradiated by UV and visible light
Photocatalytical activity of nanocrystalline Fe/TiO2 films irradiated by UV and visible light
title_full Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title_fullStr Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title_full_unstemmed Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title_short Фотокаталітична активність нанокристалічних Fe/TiO2 плівок під дією опромінення УФ та видимим світлом
title_sort фотокаталітична активність нанокристалічних fe/tio2 плівок під дією опромінення уф та видимим світлом
url https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/145
work_keys_str_mv AT rusinao photocatalyticalactivityofnanocrystallinefetio2filmsirradiatedbyuvandvisiblelight
AT linniko photocatalyticalactivityofnanocrystallinefetio2filmsirradiatedbyuvandvisiblelight
AT smirnovan photocatalyticalactivityofnanocrystallinefetio2filmsirradiatedbyuvandvisiblelight
AT eremenkoa photocatalyticalactivityofnanocrystallinefetio2filmsirradiatedbyuvandvisiblelight
AT kishh photocatalyticalactivityofnanocrystallinefetio2filmsirradiatedbyuvandvisiblelight
AT rusinao fotokatalítičnaaktivnístʹnanokristalíčnihfetio2plívokpíddíêûopromínennâuftavidimimsvítlom
AT linniko fotokatalítičnaaktivnístʹnanokristalíčnihfetio2plívokpíddíêûopromínennâuftavidimimsvítlom
AT smirnovan fotokatalítičnaaktivnístʹnanokristalíčnihfetio2plívokpíddíêûopromínennâuftavidimimsvítlom
AT eremenkoa fotokatalítičnaaktivnístʹnanokristalíčnihfetio2plívokpíddíêûopromínennâuftavidimimsvítlom
AT kishh fotokatalítičnaaktivnístʹnanokristalíčnihfetio2plívokpíddíêûopromínennâuftavidimimsvítlom