Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування
The development of novel materials ensuring the use of solar radiation as an inexhaustible source of renewable and environmentally friendly energy is one of the actual problems of materials science. Scientific research towards of solving this important task showed the expediency of using photocataly...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/524 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543914685628416 |
|---|---|
| author | Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. Ostapovskaya, N. Yu. |
| author_facet | Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. Ostapovskaya, N. Yu. |
| author_sort | Bondarenko, M. E. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:03:05Z |
| description | The development of novel materials ensuring the use of solar radiation as an inexhaustible source of renewable and environmentally friendly energy is one of the actual problems of materials science. Scientific research towards of solving this important task showed the expediency of using photocatalytic processes with the participation of semiconductor systems. One of the most well-known catalyst titanium dioxide TiO2 has photoactivity only in the ultraviolet region of the spectrum that significantly restricts its use. The application of based on undoped graphite-like carbon nitride g-C3N4 or g-C3N4/TiO2 composite catalysts allows using only part of the visible spectrum of solar radiation (with a wavelength of less than 460 nm). It is found that the doping of carbon nitride by oxygen significantly improves its photocatalytic properties to enhancing solar energy utilization. Therefore, to improve the photocatalytic activity of semiconductor photocatalyst, the coupling O-doped g-C3N4 (O-g-C3N4) with rutile TiO2 is a good strategy. Novel composite material O-g-C3N4/TiO2 was synthesized by gas phase method of deposition of O-doped g-C3N4 on particles of rutile powder under the special reactionary conditions of the pyrolysis of melamine. Obtaining O-g-C3N4/TiO2 binary composite was confirmed through various analytical techniques including X-ray powder diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectra (UV-Vis-DRS) methods. It is found that the absorption spectra of the O-g-C3N4/TiO2 powders show a bathochromic shift of the long-wavelength edge of the fundamental absorption band (to 600 nm) relative to the absorption band of g-C3N4/TiO2 (~ 460 nm). As a result, O-g-C3N4/TiO2 photosensitivity is observed in the significant part of the visible region and the band gap of synthesized product is determined to be less than 2.4 eV versus 2.7 eV for undoped g-C3N4 or g-C3N4/TiO2. One stage constructing heterojunction structure of O-g-C3N4/TiO2 composite may be used as a low-cost way to avoid the limitations of each component and realize a synergic effect in promoting the efficient generation and separation of charge carriers, thus boosting the photocatalytic activity to enhancing solar energy utilization. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:49Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-524 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:05Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5242022-06-29T10:03:05Z Synthesis O-g-C3N4/TiO2 rutile composite material for photocatalytic application Синтез композитного материала O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталитического применения Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. Ostapovskaya, N. Yu. O-g-C3N4/TiO2 composite O-doped carbon nitride rutile photocatalyst melamine pyrolysis O-g-C3N4/TiO2 O-допированный нитрид углерода рутил фотокатализатор меламин пиролиз композит O-g-C3N4/TiO2 О-допований нітрид вуглецю рутил фотокаталізатор меламін піроліз The development of novel materials ensuring the use of solar radiation as an inexhaustible source of renewable and environmentally friendly energy is one of the actual problems of materials science. Scientific research towards of solving this important task showed the expediency of using photocatalytic processes with the participation of semiconductor systems. One of the most well-known catalyst titanium dioxide TiO2 has photoactivity only in the ultraviolet region of the spectrum that significantly restricts its use. The application of based on undoped graphite-like carbon nitride g-C3N4 or g-C3N4/TiO2 composite catalysts allows using only part of the visible spectrum of solar radiation (with a wavelength of less than 460 nm). It is found that the doping of carbon nitride by oxygen significantly improves its photocatalytic properties to enhancing solar energy utilization. Therefore, to improve the photocatalytic activity of semiconductor photocatalyst, the coupling O-doped g-C3N4 (O-g-C3N4) with rutile TiO2 is a good strategy. Novel composite material O-g-C3N4/TiO2 was synthesized by gas phase method of deposition of O-doped g-C3N4 on particles of rutile powder under the special reactionary conditions of the pyrolysis of melamine. Obtaining O-g-C3N4/TiO2 binary composite was confirmed through various analytical techniques including X-ray powder diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectra (UV-Vis-DRS) methods. It is found that the absorption spectra of the O-g-C3N4/TiO2 powders show a bathochromic shift of the long-wavelength edge of the fundamental absorption band (to 600 nm) relative to the absorption band of g-C3N4/TiO2 (~ 460 nm). As a result, O-g-C3N4/TiO2 photosensitivity is observed in the significant part of the visible region and the band gap of synthesized product is determined to be less than 2.4 eV versus 2.7 eV for undoped g-C3N4 or g-C3N4/TiO2. One stage constructing heterojunction structure of O-g-C3N4/TiO2 composite may be used as a low-cost way to avoid the limitations of each component and realize a synergic effect in promoting the efficient generation and separation of charge carriers, thus boosting the photocatalytic activity to enhancing solar energy utilization. Создание современных материалов, обеспечивающих использование солнечного излучения в качестве неисчерпаемого источника возобновляемой и экологически чистой энергии – одна из наиболее актуальных задач материаловедения. Научные исследования в направлении решения этой важной задачи показали целесообразность использования фотокаталитических процессов с участием полупроводниковых систем. Один из наиболее известных катализаторов диоксид титана TiO2 обладает фотоактивностью только в ультрафиолетовой области спектра, что существенно ограничивает его использование. Применение катализатора на основе недопированногo графитоподобного нитрида углерода g-C3N4 или композита g-C3N4/TiO2 позволяет использовать только часть видимого спектра солнечного излучения (с длиной волны менее 460 нм.) Установлено, что допирование нитрида углерода кислородом значительно улучшает его фотокаталитические свойства. Таким образом, для повышения фотокаталитической активности полупроводникового фотокатализатора хорошей стратегией является сочетание O-допированного g-C3N4 (O-g-C3N4) с рутилом TiO2. Новый композитный материал O-g-C3N4/TiO2 был синтезирован газофазным методом посредством осаждения O-допированного g-C3N4 на частицы порошка рутила в особых реакционных условиях пиролиза меламина. Получение бинарного композита O-g-C3N4/TiO2 было подтверждено различными аналитическими методами, включая рентгеновскую порошковую дифракцию, инфракрасную спектроскопию с Фурье-преобразованием, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и спектры диффузного отражения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Установлено, что в спектрах поглощения порошков O-g-C3N4/TiO2 наблюдается батохромный сдвиг длинноволнового края полосы фундаментального поглощения (до 600 нм) относительно полосы поглощения g-C3N4/TiO2 (~ 460 нм). В результате фоточувствительность O-g-C3N4/TiO2 наблюдается в значительной части видимой области спектра, а ширина запрещенной зоны синтезированного продукта составляет менее 2.4 эВ против 2.7 эВ для недопированного g-C3N4 или g-C3N4/TiO2. Одностадийный метод создания гетеропереходной структуры – композита O-g-C3N4/TiO2 может быть использован как экономически выгодный способ избежать недостатков каждого компонента и реализовать синергетический эффект в содействии генерации и разделению носителей заряда, таким образом усиливая фотокаталитическую активность материала для более эффективного использования солнечной энергии. Створення сучасних матеріалів, що забезпечують використання сонячного випромінювання як невичерпного джерела відновлюваної і екологічно чистої енергії – одне з найбільш актуальних завдань матеріалознавства. Наукові дослідження в напрямку вирішення цього важливого завдання показали доцільність використання фотокаталітичних процесів за участю напівпровідникових систем. Один з найбільш відомих каталізаторів діоксид титану TiO2 має фотоактивність тільки в ультрафіолетовій області спектра, що істотно обмежує його використання. Застосування каталізатора на основі недопованого графітоподібного нітриду вуглецю g-C3N4 або композиту g-C3N4/TiO2 дозволяє використовувати тільки частину видимого спектру сонячного випромінювання (з довжиною хвилі менше 460 нм). Встановлено, що допування нітриду вуглецю киснем значно покращує його фотокаталітичні властивості. Таким чином, для підвищення фотокаталітичної активності напівпровідникового фотокаталізатора хорошою стратегією є поєднання O-допованого g-C3N4 (O-g-C3N4) з рутилом TiO2. Новий композитний матеріал O-g-C3N4/TiO2 був синтезований газофазним методом за допомогою осадження O-допованого g-C3N4 на частинкі порошку рутилу в особливих реакційних умовах піролізу меламіну. Отримання бінарного композиту O-g-C3N4/TiO2 було підтверджено різними аналітичними методами, включаючи рентгенівську порошкову дифракцию, інфрачервону спектроскопію з Фур’є-перетворенням, рентгенівську фотоелектронну спектроскопію і спектри дифузного відбиття в ультрафіолетовому та видимому діапазонах. Встановлено, що в спектрах поглинання порошків O-g-C3N4/TiO2 спостерігається батохромний зсув довгохвильового краю смуги фундаментального поглинання (до 600 нм) відносно смуги поглинання g-C3N4/TiO2 (~ 460 нм). В результаті фоточутливість O-g-C3N4/TiO2 спостерігається в значної частини видимої області спектра, а ширина забороненої зони синтезованого продукту становить менше 2.4 еВ проти 2.7 еВ для недопованого g-C3N4 або g-C3N4/TiO2. Одностадійний метод створення гетероперехідної структури – композиту O-g-C3N4/TiO2 може бути використаний як економічно вигідний спосіб уникнути недоліків кожного компонента і реалізувати синергетичний ефект в сприянні генерації і розподілу носіїв заряду, таким чином посилюючи фотокаталітичну активність матеріалу для більш ефективного використання сонячної енергії. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2019-11-26 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/524 10.15407/hftp10.04.398 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 10 No. 4 (2019): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 398-409 Химия, физика и технология поверхности; Том 10 № 4 (2019): Химия, физика и технология поверхности; 398-409 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 10 № 4 (2019): Хімія, фізика та технологія поверхні; 398-409 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp10.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/524/527 Copyright (c) 2019 M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun, N. Yu. Ostapovskaya |
| spellingShingle | композит O-g-C3N4/TiO2 О-допований нітрид вуглецю рутил фотокаталізатор меламін піроліз Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. Ostapovskaya, N. Yu. Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title | Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title_alt | Synthesis O-g-C3N4/TiO2 rutile composite material for photocatalytic application Синтез композитного материала O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталитического применения |
| title_full | Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title_fullStr | Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title_full_unstemmed | Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title_short | Синтез композитного матеріалу O-g-C3N4/TiO2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| title_sort | синтез композитного матеріалу o-g-c3n4/tio2 рутил для фотокаталітичного застосування |
| topic | композит O-g-C3N4/TiO2 О-допований нітрид вуглецю рутил фотокаталізатор меламін піроліз |
| topic_facet | O-g-C3N4/TiO2 composite O-doped carbon nitride rutile photocatalyst melamine pyrolysis O-g-C3N4/TiO2 O-допированный нитрид углерода рутил фотокатализатор меламин пиролиз композит O-g-C3N4/TiO2 О-допований нітрид вуглецю рутил фотокаталізатор меламін піроліз |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/524 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkome synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT silenkopm synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT soloninyum synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT gubarenini synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT khyzhunoyu synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT ostapovskayanyu synthesisogc3n4tio2rutilecompositematerialforphotocatalyticapplication AT bondarenkome sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT silenkopm sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT soloninyum sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT gubarenini sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT khyzhunoyu sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT ostapovskayanyu sintezkompozitnogomaterialaogc3n4tio2rutildlâfotokatalitičeskogoprimeneniâ AT bondarenkome sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ AT silenkopm sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ AT soloninyum sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ AT gubarenini sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ AT khyzhunoyu sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ AT ostapovskayanyu sintezkompozitnogomateríaluogc3n4tio2rutildlâfotokatalítičnogozastosuvannâ |