Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox
The use of oxygen modified graphite-like carbon nitride (C3N4Ox), photosensitive in the visible region of the optical spectrum, along with TiO2, photocatalytically active only in the ultraviolet region of the spectrum, in the C3N4Ox/TiO2 binary photocatalyst, opens a possibility of the use of sunlig...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/567 |
| 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_ | 1856543924391247872 |
|---|---|
| author | Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Ragulya, A. V. Zahornyi, M. M. Shvalagin, V. V. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. |
| author_facet | Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Ragulya, A. V. Zahornyi, M. M. Shvalagin, V. V. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. |
| author_sort | Bondarenko, M. E. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:13Z |
| description | The use of oxygen modified graphite-like carbon nitride (C3N4Ox), photosensitive in the visible region of the optical spectrum, along with TiO2, photocatalytically active only in the ultraviolet region of the spectrum, in the C3N4Ox/TiO2 binary photocatalyst, opens a possibility of the use of sunlight energy. To increase opportunities of various kinds of photochemistry-related applications of C3N4Ox/TiO2 photocatalyst, the phase composition of the TiO2 matrix and morphology of nanoparticles of composite and their optical properties are very important. A novel composite material, C3N4Ox/TiO2, was synthesized in the present work in accordance with the approach developed in Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NASU for the synthesis of powdered oxygen-doped carbon nitride (C3N4Ox) by CVD method under the special reactionary conditions of the melamine pyrolysis, in particular, in the presence of a fixed air volume. Deposition of C3N4Ox carried out on the surface of a nanostructured powdered TiO2 matrix of different phase composition, rutile or anatase. The deposition of C3N4Ox (~5 % O) on both rutile and anatase nanopowders was confirmed by X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis-DRS) methods. SEM micrographs (recorded with a MIRA3 TESCAN scanning electron microscope) of nanoparticles of both C3N4Ox/TiO2 composites (anatase and rutile phases) demonstrate the arrangement of TiO2 as separate globular nanoparticles and clusters between the plates and in the channels of the porous scaly plates C3N4Ox. However, the anatase phase nanoparticles (synthesized in IPM NASU) have a higher dispersion, the average size of non-aggregated almost monodisperse particles is about 10 nm. Using UV/Vis spectroscopy, it has been found that a redshift of long-wavelength edge of the fundamental absorption band of the spectra is observed when going from TiO2 (anatase), TiO2 (rutile), C3N4, C3N4Ox/TiO2 (anatase), C3N4Ox/TiO2 (rutile) and, then, to C3N4Ox, and the band gap decreases from 3.2, 3.0, 2.6, 2.4, 2.25 to 2.1 eV in the above sequence of materials. In such a case, C3N4Ox/TiO2 (especially deposited on anatase phase) would absorb more visible light than g-C3N4 and TiO2, by generating more charges which favor the improvement in the photoactivity of the catalysts. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:09Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-567 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:13Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5672022-06-29T10:02:13Z Influence of the phase composition of the TiO2 matrix on the optical properties and morphology of deposited C3N4Ox nanoparticles Влияние фазового состава матрицы TiO2 на оптические свойства и морфологию осажденных наночастиц C3N4Ox Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Ragulya, A. V. Zahornyi, M. M. Shvalagin, V. V. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. anatase rutile C3N4Ox/TiO2 composite O-doped carbon nitride photocatalyst pyrolysis melamine анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 O-допированный нитрид углерода фотокатализатор пиролиз меламин анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 О-допований нітрид вуглецю фотокаталізатор піроліз меламін The use of oxygen modified graphite-like carbon nitride (C3N4Ox), photosensitive in the visible region of the optical spectrum, along with TiO2, photocatalytically active only in the ultraviolet region of the spectrum, in the C3N4Ox/TiO2 binary photocatalyst, opens a possibility of the use of sunlight energy. To increase opportunities of various kinds of photochemistry-related applications of C3N4Ox/TiO2 photocatalyst, the phase composition of the TiO2 matrix and morphology of nanoparticles of composite and their optical properties are very important. A novel composite material, C3N4Ox/TiO2, was synthesized in the present work in accordance with the approach developed in Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NASU for the synthesis of powdered oxygen-doped carbon nitride (C3N4Ox) by CVD method under the special reactionary conditions of the melamine pyrolysis, in particular, in the presence of a fixed air volume. Deposition of C3N4Ox carried out on the surface of a nanostructured powdered TiO2 matrix of different phase composition, rutile or anatase. The deposition of C3N4Ox (~5 % O) on both rutile and anatase nanopowders was confirmed by X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis-DRS) methods. SEM micrographs (recorded with a MIRA3 TESCAN scanning electron microscope) of nanoparticles of both C3N4Ox/TiO2 composites (anatase and rutile phases) demonstrate the arrangement of TiO2 as separate globular nanoparticles and clusters between the plates and in the channels of the porous scaly plates C3N4Ox. However, the anatase phase nanoparticles (synthesized in IPM NASU) have a higher dispersion, the average size of non-aggregated almost monodisperse particles is about 10 nm. Using UV/Vis spectroscopy, it has been found that a redshift of long-wavelength edge of the fundamental absorption band of the spectra is observed when going from TiO2 (anatase), TiO2 (rutile), C3N4, C3N4Ox/TiO2 (anatase), C3N4Ox/TiO2 (rutile) and, then, to C3N4Ox, and the band gap decreases from 3.2, 3.0, 2.6, 2.4, 2.25 to 2.1 eV in the above sequence of materials. In such a case, C3N4Ox/TiO2 (especially deposited on anatase phase) would absorb more visible light than g-C3N4 and TiO2, by generating more charges which favor the improvement in the photoactivity of the catalysts. Использование модифицированного кислородом графитоподобного нитрида углерода (C3N4Ox), фоточувствительного в видимой области спектра, наряду с TiO2, который проявляет фотокаталитическую активность только под действием УФ облучения, в составе бинарного фотокатализатора C3N4Ox/TiO2, позволяет использовать энергию солнечного света. Для расширения возможностей различных видов фотохимического применения фотокатализаторов C3N4Ox/TiO2 важное значение имеют фазовый состав матрицы TiO2, морфология наночастиц композита и их оптические свойства. Композитный материал - C3N4Ox/TiO2 был синтезирован в соответствии с подходом, разработанным в Институте проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины для синтеза порошка легированного кислородом нитрида углерода (C3N4Ox) методом CVD в особых реакционных условиях (в присутствии фиксированного объема воздуха) пиролиза меламина. Осаждение C3N4Ox проводят на поверхность наноструктурированной порошкообразной матрицы TiO2 различного фазового состава - рутила или анатаза. Осаждение C3N4Ox (~5 % O) на поверхности нанопорошков как рутила, так и анатаза, подтверждено методами рентгеновской порошковой дифракции, сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектрами диффузного отражения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне. СЭМ-микрофотографии (определяли на сканирующем электронном микроскопе MIRA3 TESCAN) наночастиц обоих композитов C3N4Ox/TiO2 (анатазной и рутиловой фазы) демонстрируют расположение TiO2 в виде отдельных глобулярных наночастиц и кластеров между пластинами и в каналах пористых чешуйчатых пластин C3N4Ox. Однако наночастицы фазы анатаза (синтезированного в ИПМ НАНУ) имеют более высокую дисперсность, средний размер неагрегированных почти монодисперсных частиц составляет 10 нм. Исследование спектров поглощения образцов показало, что в ряду от TiO2 (анатаз), TiO2 (рутил), C3N4, C3N4Ox/TiO2 (анатаз), C3N4Ox/TiO2 (рутил) до C3N4Ox, наблюдается красное смещение длинноволнового края основной полосы поглощения в спектрах, ширина запрещенной зоны уменьшается с 3.2, 3.0, 2.6, 2.4, 2.25 до 2.1 эВ соответственно. В таком случае C3N4Ox/TiO2 (особенно осажденный на фазе анатаза) будет поглощать больше видимого света, чем g-C3N4, и TiO2, создавая при этом больше зарядов, что способствует улучшению фотоактивности катализаторов. Використання модифікованого киснем графітоподібного нітриду вуглецю (C3N4Ox), фоточутливого у видимій області спектра, поряд з TiO2, який виявляє фотокаталітичну активність тільки під дією УФ опромінювання, в складі бінарного фотокаталізатора C3N4Ox/TiO2, дозволяє використовувати енергію сонячного світла. Для розширення можливостей різних видів фотохімічного застосування фотокаталізаторів C3N4Ox/TiO2 важливе значення мають фазовий склад матриці TiO2, морфологія наночастинок композиту і їхні оптичні властивості. Композитний матеріал - C3N4Ox/TiO2 був синтезований відповідно з підходом, розробленим в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України для синтезу порошку легованого киснем нітриду вуглецю (C3N4Ox) методом CVD в особливих реакційних умовах (в присутності фіксованого обсягу повітря) піролізу меламіну. Осадження C3N4Ox проводять на поверхню наноструктурованої порошкоподібної матриці TiO2 різного фазового складу - рутилу або анатазу. Осадження C3N4Ox (~5 % O) на поверхні нанопорошків як рутилу, так і анатазу, підтверджено методами рентгенівської порошкової дифракції, скануючої електронної мікроскопії з методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії з Фур'є-перетворенням, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та спектрами дифузного відбиття в ультрафіолетовому та видимому діапазоні. СЕМ-мікрофотографії (визначали на скануючому електронному мікроскопі MIRA3 TESCAN) наночастинок обох композитів C3N4Ox/TiO2 (анатазної і рутилової фази) демонструють розташування TiO2 у вигляді окремих глобулярних наночастинок і кластерів між пластинами і в каналах пористих лускатих пластин C3N4Ox. Однак наночастинки фази анатазу (синтезованого в ІПМ НАНУ) мають вищу дисперсність, середній розмір неагрегованих майже монодисперсних частинок становить 10 нм. Дослідження спектрів поглинання зразків показало, що в ряду від TiO2 (анатаз), TiO2 (рутил), C3N4, C3N4Ox/TiO2 (анатаз), C3N4Ox/TiO2 (рутил) до C3N4Ox, спостерігається червоне зміщення довгохвильового краю основної смуги поглинання в спектрах, ширина забороненої зони зменшується з 3.2, 3.0, 2.6, 2.4, 2.25 до 2.1 еВ відповідно. В такому випадку C3N4Ox/TiO2 (особливо осаджений на фазі анатазу) буде поглинати більше видимого світла, ніж та g-C3N4, і TiO2, створюючи при цьому більше зарядів, що сприяє поліпшенню фотоактивності каталізаторів. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-11-27 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/567 10.15407/hftp11.04.492 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 4 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 492-507 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 4 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 492-507 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 4 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 492-507 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/567/572 Copyright (c) 2020 M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, A. V. Ragulya, M. M. Zahornyi, V. V. Shvalagin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun |
| spellingShingle | анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 О-допований нітрид вуглецю фотокаталізатор піроліз меламін Bondarenko, M. E. Silenko, P. M. Solonin, Yu. M. Ragulya, A. V. Zahornyi, M. M. Shvalagin, V. V. Gubareni, N. I. Khyzhun, O. Yu. Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title | Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title_alt | Influence of the phase composition of the TiO2 matrix on the optical properties and morphology of deposited C3N4Ox nanoparticles Влияние фазового состава матрицы TiO2 на оптические свойства и морфологию осажденных наночастиц C3N4Ox |
| title_full | Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title_fullStr | Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title_full_unstemmed | Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title_short | Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox |
| title_sort | вплив фазового складу матриці tio2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок c3n4ox |
| topic | анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 О-допований нітрид вуглецю фотокаталізатор піроліз меламін |
| topic_facet | anatase rutile C3N4Ox/TiO2 composite O-doped carbon nitride photocatalyst pyrolysis melamine анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 O-допированный нитрид углерода фотокатализатор пиролиз меламин анатаз рутил композит C3N4Ox/TiO2 О-допований нітрид вуглецю фотокаталізатор піроліз меламін |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/567 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkome influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT silenkopm influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT soloninyum influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT ragulyaav influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT zahornyimm influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT shvalaginvv influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT gubarenini influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT khyzhunoyu influenceofthephasecompositionofthetio2matrixontheopticalpropertiesandmorphologyofdepositedc3n4oxnanoparticles AT bondarenkome vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT silenkopm vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT soloninyum vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT ragulyaav vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT zahornyimm vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT shvalaginvv vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT gubarenini vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT khyzhunoyu vliâniefazovogosostavamatricytio2naoptičeskiesvojstvaimorfologiûosaždennyhnanočasticc3n4ox AT bondarenkome vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT silenkopm vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT soloninyum vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT ragulyaav vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT zahornyimm vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT shvalaginvv vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT gubarenini vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox AT khyzhunoyu vplivfazovogoskladumatricítio2naoptičnívlastivostítamorfologíûosadženihnanočastinokc3n4ox |