Вплив допування йонами мангану на структуру, оптичні та фотокаталітичні властивості мезопористих TiO2 плівок

I. Petrik; N. Smirnova; A. Eremenko; O. Frolova; O. Fesenko; S. Kovalchuk

doi:10.15407/Surface.2017.09.156

I. Petrik Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
N. Smirnova Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
A. Eremenko Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
O. Frolova Інститут фізики НАН України
O. Fesenko Інститут фізики НАН України
S. Kovalchuk Інститут фізики НАН України

DOI: https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.156

Анотація

Прозорі, оптично однорідні мезопористі плівки ТіО₂, модифіковані іонами Мn²⁺, одержані золь-гель методом і охарактеризовано за допомогою оптичної, рентгенівської та раманівської спектроскопії. Каталітична активність синтезованих плівок була досліджена в реакції фотовідновлення йонів Cr (VI) до Cr (ІІI). Концентрація допанта коливалась від 0,5 до 20 атомних %. Легування йонами мангану призводить до батохромного зсуву краю поглинання та зменшує ширину забороненої зони від 3,3 (ТіО₂) та 3,0 еВ (5 % Мn/ТіО₂) до 2,6 еВ для 20 % Мn/ТіО₂. Товщина плівки при легуванні Мn, для плівки ТіО₂ (64 нм) збільшується в середньому на 40-50 нм. Показник заломлення таких плівок від 1,87 – 1,94 для (0 – 10% )Мn/ТіО₂ зростає до значення 2,6 зі збільшенням концентрації допанта до 20 %,, що може бути викликане утворенням нової фази в структурі покриття або зменшенням пористості плівки. Також підвищення вмісту Мn²⁺ впливає на кристалічну структуру ТіО₂, призводячи до зниження температури фазового переходу анатаз-рутил в плівках.

Посилання

1. Patil R.A., Devan R., Liou Y., Ma Y.-R. Efficient electrochromic smart windows of one-dimensional pure brookite TiO₂ nanoneedles. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2016. 147: 240. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.12.024

2. Burns G.P. Titanium dioxide dielectric films formed by rapid thermal oxidation. J. Appl. Phys. 1989. 65: 2095. https://doi.org/10.1063/1.342856

3. Hoffmann M.R., Martin S.T., Choi W., Bahnemann D.W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. 1995. 95(1): 69. https://doi.org/10.1021/cr00033a004

4. Fan J., Li Z., Zhou W., Miao Y., Zhang Y., Hu J. Dye-sensitized solar cells based on TiO₂nanoparticles/nanobelts double-layered film with improved photovoltaic performance. Appl. Surf. Sci. 2014. 319: 75. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.07.054

5. Vimbela G.V., Ngo S.M., Fraze C., Yang L., Stout D.A. Antibacterial properties and toxicity from metallic nanomaterials. Int. J. Nanomedicine. 2017. 12: 3941. https://doi.org/10.2147/IJN.S134526

6. Petryk I.S., Smirnova N.P., Yeremenko A.M., Frolova O.K., Oranska O.I. Synthesis of nanoscale mesoporous films TiO₂/Cu²⁺ and their photocatalytic activity in the reaction of ions Cr(VI). Physics and Chemistry of Solid State. 2012. 13(2): 242.

7. Zuo Zh., Huang W., Han P., Li Zh. Theoretical and experimental investigation of the influence of Co content on the titanium dioxide phase transition. Solid State Commun. 2009. 149(47–48): 2139. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2009.09.027

8. Xu J.P., Shi S.B., Li L., Wang J.F., Lv L.Y., Zhang F.M., Du Y.W. Effect of manganese ions concentration on the anatase – rutile phase transformation of TiO₂ films. J. Phys. Chem Solids. 2009. 70(3–4): 511. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2008.06.113

9. Kuncewicz J., Ząbek P., Kruczała K., Szaciłowski K., Macyk W. Photocatalysis Involving a Visible Light-Induced Hole Injection in a Chromate(VI)–TiO₂ System. J. Phys. Chem. C. 2012. 116(41): 21762. https://doi.org/10.1021/jp3040715

10. Buchalska M., Kuncewicz J., Świętek E., Łabuz P., Baran T., Stochel G., Macyk W. Photoinduced hole injection in semiconductor-coordination compound systems. Coord. Chem. Rev. 2013. 257(3–4): 767. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2012.09.017

11. Ohno T., Sarukawa K., Tokieda K., Matsumura M. Morphology of a TiO2 photocatalyst (Degussa, P-25) consisting of anatase and rutile crystalline phases. J. Catal. 2001. 203(1): 82. https://doi.org/10.1006/jcat.2001.3316

12. Buchalska M., Kobielusz M., Matuszek A., Pacia M., Wojtyła S., Macyk W. On Oxygen Activation at Rutile- and Anatase-TiO₂. ACS Catal. 2015. 5(12): 7424. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b01562

13. Arroyo R., Córdoba G., Padilla J., Hlara V. Influence of manganese ions on the anatase–rutile phase transition of TiO₂ prepared by the sol–gel process. Mater. Lett. 2002. 54(5–6): 397. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(01)00600-0

14. Uvarov N.F., Boldyrev V.V. Size effects in chemistry of heterogeneous systems. Russ. Chem. Rev. 2001. 70(4): 265. https://doi.org/10.1070/RC2001v070n04ABEH000638

15. Gribb A.A., Banfield J.F. Particle size effects on transformation kinetics and phase stability in nanocrystalline TiO₂. Am. Mineral. 1997. 82(7): 717. https://doi.org/10.2138/am-1997-7-809

16. Smith S.J., Stevens R., Liu S., Li G., Navrotsky A., Boerio-Goates J., Woodfield B.F. Heat capacities and thermodynamic functions of TiO₂ anatase and rutile: analysis of phase stability. Am. Mineral. 2009. 94(2–3): 236. https://doi.org/10.2138/am.2009.3050

17. Yeremenko G. M., Smirnova N.P., Petryk I.S. Syntez ta vlastyvosti porystykh nanostrukturnykh plivok, aktyvnykh v ekolohichnomu fotokatalizi. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2004. 2(2): 477. [in Ukrainian].

18. Chauhana R., Kumarb A., Chaudharya Pal R. Structural and photocatalytic studies of Mn doped TiO₂ nanoparticles. Spectrochim. Acta, Part A. 2012. 98: 256. https://doi.org/10.1016/j.saa.2012.08.009

19. Iida Y., Ozaki S., Grain J. Growth and phase transformation of titanium oxide during calcination. Am. Ceram. Soc. 1961. 44(3): 120. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1961.tb13725.x

20. Ghasemi S., Rahimnejada S., Rahman Setayesha S., Rohani S., Gholami M.R. Transition metal ions effect on the properties and photocatalytic activity of nanocrystalline TiO₂ prepared in an ionic liquid. J. Hazard. Mater. 2009. 172(2–3): 1573. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.029

21. Braginsky L., Shklover V. Light absorption in TiO₂ nanoparticles. The European Physical Journal D. 1999. 9(1–4): 627. https://doi.org/10.1007/s100530050514

22. Serpone N., Lawless D., Khairutdinov R. Size Effects on the photophysical properties of colloidal anatase TiO₂ particles: size quantization or direct transitions in this indirect semiconductor. J. Phys. Chem. 1995. 99(45): 16646. https://doi.org/10.1021/j100045a026

23. Zhang J., Zhou P., Liu J., Yu J. New understanding of the difference of photocatalytic activity among anatase, rutile and brookite TiO₂. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. 16(38): 20382. https://doi.org/10.1039/C4CP02201G

24. Rocquefelte X., Goubin F., Koo H.-J., Hhangbo M., Jobic S. Investigation of the origin of the empirical relationship between refractive index and density on the basis of first principles calculations for the refractive indices of various TiO₂ phases. Inorg. Chem. 2004. 43(7): 2246. https://doi.org/10.1021/ic035383r