Structural, morphological and photocatalytic properties of TiO2 obtained by thermolytic decomposition of the [Ti(OH2)6]3+•3Cl¯ aquacomplex

І. Миронюк; Н. Данилюк; Л. Туровська; І. Микитин

doi:10.15330/pcss.23.4.741-755

Автор(и)

І. Миронюк Хімічний факультет Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Н. Данилюк Навчально-науковий центр матеріалознавства і нанотехнологій Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Л. Туровська Кафедра медичної інформатики, медичної та біологічної фізики Івано-Франківського національного медичного університету, Івано-Франківськ, Україна
І. Микитин Хімічний факультет Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.741-755

Ключові слова:

титан (IV) оксид, рутил, Конго червоний, фотокаталізатор

Анотація

Термолітичний розклад у хлориднокислотному середовищі розчину титанового аквакомплексного прекурсору [Ti(OH₂)₆]³⁺•3Cl^¯, в результаті його кип’ятіння за температури (110-114) ⁰С, супроводжується гідролізом прекурсору та утворенням молекул-гідратів Ti(OH)₃Cl • 2Н₂О, які внаслідок конденсації забезпечують одержання рутильного ТіО₂з стержневидною формою частинок довжиною (30-80) нм і діаметром (8-20) нм, об’єднаних у свою чергу в квітковидні асоціати діаметром (200-280) нм. ІЧ-спектроскопічні дослідження продуктів гідролізу прекурсору та синтезованого оксидного матеріалу засвідчують, що геометричні параметри октаедрів ТіО₅Cl молекул-гідратів Ti(OH)₃Cl •2Н₂О є близькими до параметрів октаедрів ТіО₆ рутильного ТіО₂. Середня міжатомна відстань Ті-О октаедрів титановмісних молекул-гідратів є своєрідним шаблоном, який скеровує процес кристалізації ТіО₂ на утворення рутилу. Синтезований в такий спосіб рутильний нанопорошковий ТіО₂ являється ефективним фотокаталізатором в реакціях фотоокиснення в водному середовищі органічних барвників ультрафіолетовим випромінюванням. Фотокаталітична активність синтезованого рутильного ТіО₂визначалася при руйнуванні розчиненого у водному середовищі барвника Конго червоного (КЧ). Ефективність TiO₂ вивчали шляхом дослідження впливу кількості TiO₂ та концентрації Н₂О₂. Встановлено, що повне знебарвлення барвника досягається всього за 10 хвилин УФ-опромінення, за умов концентрація фотокаталізатора 1.5 г/л, концентрація Н₂О₂ 5 mM і початкової концентрації барвника КЧ 5 mg/L, при швидкості розкладу 2.1959 min^-1.

Посилання

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, A. Shyichuk, W. Macyk, M. Naushad, Photocatalytic degradation of dyes using rutile TiO2 synthesized by reverse micelle and low temperature methods: real-time monitoring of the degradation kinetics, J. Mol. Liq., 342, 117407 (2021); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117407.

K. Indira, S. Shanmugam, A. Hari, S. Vasantharaj, S. Sathiyavimal, K. Brindhadevi, A. El Askary, A. Elfasakhany, A. Pugazhendhi, Photocatalytic degradation of congo red dye using nickel–titanium dioxide nanoflakes synthesized by Mukia madrasapatna leaf extract, Environ. Res., 202, 111647 (2021); https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111647.

J. Wang, Y. Jiang, Z. Zhang, G. Zhao, G. Zhang, T. Ma, W. Sun, Investigation on the sonocatalytic degradation of congo red catalyzed by nanometer rutile TiO2 powder and various influencing factors, Desalination, 216, 196 (2007); https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.11.024.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, Z. Sojka, J. Gryboś, M. Naushad, V. Kotsyubynsky, M. Kowalska, S. Kwiatkowska-Marks, N. Danyliuk, Green synthesis, structure, cations distribution and bonding characteristics of superparamagnetic cobalt-zinc ferrites nanoparticles for Pb(II) adsorption and magnetic hyperthermia applications, J. Mol. Liq., 328, 115375 (2021); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115375.

I. Mironyuk, I. Mykytyn, H. Vasylyeva, K. Savka, Sodium-modified mesoporous TiO2: Sol-gel synthesis, characterization and adsorption activity toward heavy metal cations, J. Mol. Liq., 316, 113840 (2020); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113840.

S. Foteinis, E. Chatzisymeon, Heterogeneous photocatalysis for water purification, INC, 2020. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817836-2.00004-1.

Z. Wei, J. Liu, W. Shangguan, A review on photocatalysis in antibiotic wastewater: Pollutant degradation and hydrogen production, Chinese J. Catal., 4, 1440 (2020); https://doi.org/10.1016/S1872-2067(19)63448-0.

M.E. Borges, M. Sierra, E. Cuevas, R.D. García, P. Esparza, Photocatalysis with solar energy: Sunlight-responsive photocatalyst based on TiO2 loaded on a natural material for wastewater treatment, Sol. Energy, 135 (2016) 527–535. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.06.022.

M. Curti, D.W. Bahnemann, C.B. Mendive, Mechanisms in Heterogeneous Photocatalysis: Titania under UV and Visible Light Illumination, Elsevier Ltd., 2016; https://doi.org/10.1016/b978-0-12-803581-8.03800-5.

H. Chakhtouna, H. Benzeid, N. Zari, A. el kacem Qaiss, R. Bouhfid, Recent progress on Ag/TiO2 photocatalysts: photocatalytic and bactericidal behaviors, Environ. Sci. Pollut. Res., 28 44638 (2021); https://doi.org/10.1007/s11356-021-14996-y.

G. Sujatha, S. Shanthakumar, F. Chiampo, UV light‐irradiated photocatalytic degradation of coffee processing wastewater using TiO2 as a catalyst, Environ, 7, 1 (2020); https://doi.org/10.3390/environments7060047.

P. Billik, G. Plesch, V. Brezová, L. Kuchta, M. Valko, M. Mazúr, Anatase TiO2 nanocrystals prepared by mechanochemical synthesis and their photochemical activity studied by EPR spectroscopy, J. Phys. Chem. Solids, 68, 1112 (2007), https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.02.010.

A. Dodd, A. McKinley, T. Tsuzuki, M. Saunders, Optical and photocatalytic properties of nanocrystalline TiO2 synthesised by solid-state chemical reaction, J. Phys. Chem. Solids, 68, 2341 (2007); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.07.008.

H.D. Jang, S.K. Kim, S.J. Kim, Effect of particle size and phase composition of titanium dioxide nanoparticles on the photocatalytic properties, J. Nanoparticle Res., 3 (2001) 141–147. https://doi.org/10.1023/A:1017948330363.

H. Park, H.S. Jie, B. Neppolian, K. Tsujimaru, J.P. Ahn, D.Y. Lee, J.K. Park, M. Anpo, Preparation of highly active TiO2 nano-particle photocatalysts by a flame aerosol method for the complete oxidation of 2-propanol, Top. Catal., 47, 166 (2008); https://doi.org/10.1007/s11244-007-9019-2.

G.L. Chiarello, E. Selli, L. Forni, Photocatalytic hydrogen production over flame spray pyrolysis-synthesised TiO2 and Au/TiO2, Appl. Catal. B Environ., 84, 332 (2008); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.04.012.

V.M. Gun’ko, V.V. Turov, Nuclear magnetic resonance studies of interfacial phenomena, CRC Press. Boca Rat. (2013). https://doi.org/10.1201/b14202.

A. Singh, S. Kumar, Structural, chemical, optical and photocatalytic properties of Zr co-doped anatase-rutile mixed phase TiO2: Ag nanoparticles, J. Alloys Compd., 925, 166709 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166709.

M.Z. Bin Mukhlish, F. Najnin, M.M. Rahman, M.J. Uddin, Photocatalytic Degradation of Different Dyes Using TiO2 with High Surface Area: A Kinetic Study, J. Sci. Res., 5 301–314 (2013); https://doi.org/10.3329/jsr.v5i2.11641.

A. Golub, A. Tyshchenko, I. Kokot, Investigation of the solubility of Ti(OH)4 in chlorine and hydrochloric acids, Journal of Applied Chemistry, XLIII, 2129–2134 (1970).

L.I. Myronyuk, I.F. Myronyuk, V.L. Chelyadyn, V.M. Sachko, M.A. Nazarkovsky, R. Leboda, J. Skubiszewska-Ziȩba, V.M. Gun’ko, Structural and morphological features of crystalline nanotitania synthesized in different aqueous media, Chem. Phys. Lett., 583 (2013) 103–108. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2013.07.068.

G. Busca, G. Ramis, J.M.G. Amores, V.S. Escribano, P. Piaggio, FT Raman and FTIR studies of titanias and metatitanate powders, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 90 (1994) 3181–3190. https://doi.org/10.1039/FT9949003181.

R.J. Gonzalez, Raman, X-ray, and EELS Studies of Nanophase Titania, Thesis. (1996).

V.A. Frink-Kamenetsky, Essays on crystal chemistry, Chemistry. (1974) 496.

М. Bairamov, Fundamental electrochemistry, Academia. (2005).

A.R. West, Solid state chemistry and its applications, 1991. https://doi.org/10.1107/s0108768185002476.

M.D. Bleši, Z. V. Šaponji, J.M. Nedeljkovi, D.P. Uskokovi, TiO2 films prepared by ultrasonic spray pyrolysis of nanosize precursor, Mater. Lett., 54, 298 (2002); https://doi.org/10.1016/S0167-577X(01)00581-X.

W.L. Guo, X.K. Wang, Z.M. Lin, G.Z. Song, Sonochemical Synthesis of Nanocrystalline TiO2 by Hydrolysis of Titanium Alkoxides, Microelectron. Eng., 66, 95 (2003); https://doi.org/10.1016/S0167-9317(03)00031-5.

W. Huang, X. Tang, Y. Wang, Y. Koltypin, A. Gedanken, Selective synthesis of anatase and rutile via ultrasound irradiation, Chem. Commun., 1415 (2000); https://doi.org/10.1039/b003349i.

S. Erdemoǧlu, S.K. Aksu, F. Sayilkan, B. Izgi, M. Asiltürk, H. Sayilkan, F. Frimmel, Ş. Güçer, Photocatalytic degradation of Congo Red by hydrothermally synthesized nanocrystalline TiO2 and identification of degradation products by LC-MS, J. Hazard. Mater., 155, 469 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.11.087.

N. Danyliuk, T. Tatarchuk, K. Kannan, A. Shyichuk, Optimization of TiO2-P25 photocatalyst dose and H2O2 concentration for advanced photooxidation using smartphone-based colorimetry, Water Sci. Technol., 84, 469 (2021); https://doi.org/10.2166/wst.2021.236.

H.X. Guo, K.L. Lin, Z.S. Zheng, F. Bin Xiao, S.X. Li, Sulfanilic acid-modified P25-TiO2 nanoparticles with improved photocatalytic degradation on Congo red under visible light, Dye. Pigment, 92, 1278 (2012); https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.09.004.

I. Mironyuk, N. Danyliuk, T. Tatarchuk, I. Mykytyn, V. Kotsyubynsky, Photocatalytic degradation of Congo red dye using Fe-doped TiO2 nanocatalysts, Phys. Chem. Solid State, 22, 697 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.4.697-710.

U.O. Bhagwat, J.J. Wu, A.M. Asiri, S. Anandan, Sonochemical Synthesis of Mg-TiO2 nanoparticles for persistent Congo red dye degradation, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 346, 559 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2017.06.043.

C.M. Magdalane, G.M.A. Priyadharsini, K. Kaviyarasu, A.I. Jothi, G.G. Simiyon, Synthesis and characterization of TiO2 doped cobalt ferrite nanoparticles via microwave method: Investigation of photocatalytic performance of congo red degradation dye, Surfaces and Interfaces, 25, 101296 (2021); https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101296.