Structural, morphological and photocatalytic properties of nanostructured TiO2/AgI photocatalyst

Іван Миронюк; Назарій Данилюк; Лілія Туровська; Ігор Микитин; Володимир Коцюбинський

doi:10.15330/pcss.24.2.374-384

Автор(и)

Іван Миронюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Назарій Данилюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Лілія Туровська Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Ігор Микитин Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Володимир Коцюбинський Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.2.374-384

Ключові слова:

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

Анотація

Наноструктурований фотокаталізатор TiO₂/AgI, при дії ультрафіолетового або видимого електромагнітного випромінювання, ефективно знешкоджує у водному середовищі органічні забруднювачі. Він являє собою наноструктуру в якій мікро- та дрібні мезопори анатазного TiO₂ наповнені йодитом срібла в суперйонному стані. Вміст йонопровідної фази α-AgI в об’ємі пор ТіО₂ може становити ~ 20 мас.%. Діоксид титану, для одержання фотокаталізатора, синтезують золь-гель методом, використовуючи, як прекурсор розчин титанового аквакомплексу [Ti(OH₂)₆]³⁺•3Cl^- та добавку-модифікатор Na₂CО₃. Модифікуюча добавка в процесі синтезу забезпечує вкорінення на поверхні частинок оксидного матеріалу карбонатних групувань =О₂СО. Наявність цих групувань приводить до зростання як об’єму пор так і питомої поверхні ТіО₂. Питома поверхня карбонатованого діоксиду титану 368 м²•г^-1, об’єм пор 0.28 см³•г^-1, а їх розмір 0.9-4.5 нм. Для заповнення мікро- та дрібних мезопор TiO₂ суперйонною α-AgI фазою спочатку на поверхні діоксиду титану з розчину AgNO₃ адсорбують катіони Ag⁺, а після цього здійснюють контактування оксидного матеріалу з розчином KI. Створений наноструктурований фотокаталізатор TiO₂/AgI в порівнянні з фотокаталізатором концерну Evonik марки P25-TiO₂ демонструє суттєво вищу ефективність щодо фотодеградації органічних барвників Конго червоного та Метилоранжу в видимому та ультрафіолетовому випромінюванні. Найактивніший зразок ТіО₂/40AgI досягав повного руйнування барвника КЧ (5 мг/л) за 6 хвилин УФ-опромінення ( = 365 нм), тоді як ефективність комерційного Р25-TiO₂ становила всього 42%, за цей самий проміжок часу.

Посилання

M.K.I. Senevirathna, P.K.D.D.P. Pitigala, K. Tennakone, Water photoreduction with Cu2O quantum dots on TiO2 nano-particles, J. Photochem. Photobiol. A Chem. 171, 257 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.10.018.

D.L. Liao, C.A. Badour, B.Q. Liao, Preparation of nanosized TiO2/ZnO composite catalyst and its photocatalytic activity for degradation of methyl orange, J. Photochem. Photobiol. A Chem. 19, 11 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2007.07.008.

L.C. Chen, F.R. Tsai, S.H. Fang, Y.C. Ho, Properties of sol-gel SnO2/TiO2 electrodes and their photoelectrocatalytic activities under UV and visible light illumination, Electrochim. Acta. 54, 1304 (2009); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.09.009.

E. V. Skorb, L.I. Antonouskaya, N.A. Belyasova, D.G. Shchukin, H. Möhwald, D. V. Sviridov, Antibacterial activity of thin-film photocatalysts based on metal-modified TiO2 and TiO2: In2O3 nanocomposite, Appl. Catal. B Environ. 84, 94 (2008); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.03.007.

J.S. Jang, H.G. Kim, U.A. Joshi, J.W. Jang, J.S. Lee, Fabrication of CdS nanowires decorated with TiO2 nanoparticles for photocatalytic hydrogen production under visible light irradiation, Int. J. Hydrogen Energy. 33; 5975 (2008); https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.07.105.

W. Ho, J.C. Yu, Sonochemical synthesis and visible light photocatalytic behavior of CdSe and CdSe/TiO2 nanoparticles, J. Mol. Catal. A Chem. 247, 268 (2006); https://doi.org/10.1016/j.molcata.2005.11.057.

D. Jing, L. Guo, WS2 sensitized mesoporous TiO2 for efficient photocatalytic hydrogen production from water under visible light irradiation, Catal. Commun. 8, 795 (2007); https://doi.org/10.1016/j.catcom.2006.09.009.

G. Liao, S. Chen, X. Quan, Y. Zhang, H. Zhao, Remarkable improvement of visible light photocatalysis with PANI modified core-shell mesoporous TiO2 microspheres, Appl. Catal. B Environ. 102, 126 (2011); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.11.033.

H.C. Liang, X.Z. Li, Visible-induced photocatalytic reactivity of polymer-sensitized titania nanotube films, Appl. Catal. B Environ. 86, 8 (2009); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.07.015.

D. Wang, Y. Wang, X. Li, Q. Luo, J. An, J. Yue, Sunlight photocatalytic activity of polypyrrole-TiO2 nanocomposites prepared by “in situ” method, Catal. Commun. 9, 1162 (2008); https://doi.org/10.1016/j.catcom.2007.10.027.

J. Zhong, F. Chen, J. Zhang, Carbon-Deposited TiO2: Synthesis, Characterization, and Visible Photocatalytic Performance, J. Phys. Chem. 933 (2010); https://doi.org/10.1021/jp909835m.

R. Sellappan, J. Zhu, H. Fredriksson, R.S. Martins, M. Zäch, D. Chakarov, Preparation and characterization of TiO2 / carbon composite thin films with enhanced photocatalytic activity, J. Mol. Catal. A. Chem. 335, 136 (2011); https://doi.org/10.1016/j.molcata.2010.11.025.

S. Mu, Y. Long, S. Kang, J. Mu, Surface modification of TiO2 nanoparticles with a C 60 derivative and enhanced photocatalytic activity for the reduction of aqueous Cr (VI) ions, Catal. Commun. 11, 741 (2010); https://doi.org/10.1016/j.catcom.2010.02.006.

T. Graphene, T. Different, Y. Zhang, Z. Tang, X. Fu, Y. Xu, TiO2-Graphene Nanocomposites for Gas-Phase Photocatalytic Degradation of Volatile Aromatic Pollutant: Is TiO2-graphene truly different from other TiO2-carbon composite materials, ACS Nano. 4, 7303 (2010); https://doi.org/10.1021/nn1024219.

Y. Zang, R. Farnood, Photocatalytic activity of AgBr/TiO2 in water under simulated sunlight irradiation, Appl. Catal. B. 79, 334 (2008); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2007.10.019.

J. Yu, G. Dai, B. Huang, Fabrication and Characterization of Visible-Light-Driven Plasmonic Photocatalyst Ag/AgCl/TiO2 Nanotube Arrays, J. Phys. Chem. C., 16394 (2009); https://doi.org/10.1021/jp905247j.

D. Fitzmaurice, H. Frei, Time-resolved optical study on the charge carrier dynamics in a TiO2/AgI sandwich colloid, J. Phys. Chem., 9176 (1995); https://doi.org/10.1021/j100022a034.

I. Mironyuk, T. Tatarchuk, M. Naushad, H. Vasylyeva, I. Mykytyn, Highly efficient adsorption of strontium ions by carbonated mesoporous TiO2, J. Mol. Liq., 285, 742 (2019); https://doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2019.04.111.

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.

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.

N. Danyliuk, T. Tatarchuk, I. Mironyuk, V. Kotsyubynsky, V. Mandzyuk, Performance of commercial titanium dioxide samples in terms of dye photodegradation assessed using smartphone-based measurements, Phys. Chem. Solid State., 3, 582 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.582-589.

S. Yamasaki, T. Yamada, H. Kobayashi, H. Kitagawa, Preparation of Sub-10 nm AgI Nanoparticles and a Study on their Phase Transition Temperature, 73 (2013); https://doi.org/10.1002/asia.201200790.

K. Ullah, A. Ullah, A. Aldalbahi, J. Do Chung, W.C. Oh, Enhanced visible light photocatalytic activity and hydrogen evolution through novel heterostructure AgI-FG-TiO2 nanocomposites, J. Mol. Catal. A Chem. 410, 242 (2015); https://doi.org/10.1016/j.molcata.2015.09.024.

W. Liu, C. Wei, G. Wang, X. Cao, Y. Tan, S. Hu, In situ synthesis of plasmonic Ag@AgI/TiO2 nanocomposites with enhanced visible photocatalytic performance, Ceram. Int. 45, 17884 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.004.

A. Shoja, A. Habibi-yangjeh, M. Mousavi, S. Vadivel, Preparation of novel ternary TiO2QDs/CDs/AgI nanocomposites with superior visible-light induced photocatalytic activity, J. Photochem. Photobiol. A Chem. 385, 112070 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2019.112070.

E. Liu, Y. Zhang, Y. Cong, Highly enhanced photocatalytic reduction of Cr (VI) on AgI/TiO2 under visible light irradiation: influence of heat pretreatment, Elsevier B.V. (2015); https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.12.050.

Q.W. Ying-Ying Shao, Wei-Dong Ye, Chun-Yan Sun, Chu-Lin Liu, Visible-light-induced degradation of polybrominated diphenyl ethers with AgI–TiO2, RSC Adv. 7, 39089 (2017); https://doi.org/10.1039/C7RA07106J.

I. Mironyuk, N. Danyliuk, L. Turovska, I. Mykytyn, Structural, morphological and photocatalytic properties of TiO2 obtained by thermolytic decomposition of the [Ti(OH2)6]3+•3Cl¯ aquacomplex, Phys. Chem. Solid State. 23, 741 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.741-755.

F. Fazlali, A. Hajian, A. Afkhami, H. Bagheri, A superficial approach for fabricating unique ternary AgI@TiO2/Zr-MOF composites: An excellent interfacial with improved photocatalytic light-responsive under visible light, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 112717 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112717.

D. Yu, J. Bai, H. Liang, J. Wang, C. Li, Fabrication of a novel visible-light-driven photocatalyst Ag-AgI-TiO2 nanoparticles supported on carbon nanofibers, Appl. Surf. Sci. 349, 241 (2015); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.019.

D. Wu, M. Long, Enhancing visible-light activity of the self-cleaning TiO2-coated cotton fabrics by loading AgI particles, Surf. Coatings Technol. 206, 1175 (2011); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.08.007.

D. Yu, J. Bai, H. Liang, T. Ma, C. Li, AgI-modified TiO2 supported by PAN nanofibers: A heterostructured composite with enhanced visible-light catalytic activity in degrading MO, Dye. Pigment. 133, 51 (2016); https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2016.05.036.