Везде

ОХНМКоллоидный журнал Colloid Journal

  • ISSN (Print) 0023-2912
  • ISSN (Online) 3034-543X

Фотоиндуцированная супергидрофильность диоксида титана: влияние гетеровалентного допирования металлами

Вы можете
Код статьи
10.31857/S0023291224050109-1
DOI
10.31857/S0023291224050109
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Рудакова А. В.
  • Аффилиация: Санкт-Петербургский государственный университет
Том/ Выпуск
Том 86 / Номер выпуска 5
Страницы
640-654
Аннотация
Эффект самоочищения покрытий на основе диоксида титана основан на фотокаталитической окислительной способности и эффекте фотоиндуцированной супергидрофильности. Допирование металлами используют для повышения фотокаталитической активности, в то время как его влияние на гидрофильность поверхности практически не изучено. В связи с этим в работе было детально исследовано влияние гетеровалентного допирования диоксида титана фазы анатаз на его гидрофильные свойства. Тонкие пленки x-M-TiO2, где М – Nb5+, Sc3+, Al3+, с концентрацией допанта в диапазоне 0.0–1.0 ат. %, были получены на стеклянных подложках из растворов соответствующих золей методом макания. Фазовый состав, содержание допанта на поверхности, микронапряжение решетки, кислотность поверхности и значения работы выхода электрона были определены и проанализированы для трех серий допированных образцов в зависимости от концентрации примеси. Гидрофильность поверхности нанопокрытий x-M-TiO2 оценивали с помощью значений контактных углов воды и свободной поверхностной энергии. Показано, что допирование ионами ниобия изменяет смачиваемость диоксида титана, в то время как его гидрофильное состояние не изменяется при допировании скандием и алюминием. Установлено, что появление ионов ниобия в анатазе приводит к резкому увеличению гидрофильности поверхности с одновременным изменением кислотности и работы выхода, однако с увеличением содержания Nb электронный фактор становится доминирующим. Полученные кинетические зависимости фотоиндуцированного контактного угла воды показали увеличение гидрофильности поверхности всех исследуемых покрытий независимо от типа допанта в пределах исследуемых концентраций, что демонстрирует их способность к самоочищению. Вместе с этим конечное УФ-индуцированное гидрофильное состояние зависит от типа допанта. Максимальная гидрофильность поверхности достигается при УФ-облучении Nb-допированных TiO2 независимо от его содержания, Al-допированная серия покрытий демонстрирует малые контактные углы, а фотоиндуцированная гидрофильность поверхностей Sc-допированных пленок диоксида титана уменьшается с увеличением содержания скандия.
Ключевые слова
самоочищающиеся покрытия диоксид титана анатаз допирование металлами гидрофильность фотоиндуцированная супергидрофильность ниобий скандий алюминий
Дата публикации
15.09.2024
Год выхода
2024
Всего подписок
0
Всего просмотров
26

Библиография

  1. 1. Banerjee S., Dionysiou D.D., Pillai S.C. Self-cleaning applications of TiO2 by photo-induced hydrophilicity and photocatalysis // Applied Catalysis B. 2015. V. 176–177. P. 396–428. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.058
  2. 2. Samal S.K., Mohanty S., Nayak S.K. Superhydrophobic polymer coatings. Amsterdam: Elsevier. 2019. https://doi.org/10.1016/C2018-0-00746-X
  3. 3. Рудакова А.В., Емелин А.В. Фотоиндуцированное изменение гидрофильности поверхности тонких пленок // Коллоид. журн. 2021. T. 83. № 1. С. 3–34. https://doi.org/10.31857/S0023291221010109
  4. 4. Fujishima A., Zhang X., Tryk D.A. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena // Surface Science Reports. 2008. V. 63. № 12. P. 515–582. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2008.10.001
  5. 5. Serpone N., Emeline A.V. Semiconductor photocatalysis – past, present, and future outlook // Journal of Physical Chemistry Letters. 2012. V. 3. P. 673–677. https://doi.org/10.1021/jz300071j
  6. 6. Serpone N., Emeline A.V., Kuznetsov V.N., Ryabchuk V.K. Second generation visible-light-active photocatalysts: Preparation, optical properties, and consequences of dopants on the band gap energy of TiO2 // Environmentally benign photocatalysts. New York: Springer New York. 2010. P. 35–111. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48444-0_3
  7. 7. Serpone N. Is the band gap of pristine TiO2 narrowed by anion- and cation-doping of titanium dioxide in second-generation photocatalysts? // Journal of Physical Chemistry B. 2006. V. 110. P. 24287–24293. https://doi.org/10.1021/jp065659r
  8. 8. Wolkenstein Th. The Electronic Theory of Catalysis on Semiconductors, 1st ed. Oxford: Pergamon Press. 1963.
  9. 9. Wolkenstein Th. The electronic theory of photocatalytic reactions on semiconductors // Advanced Catalysis. 1973. V. 23. P. 157–208. https://doi.org/10.1016/S0360-0564 (08)60301-6
  10. 10. Bloh J.Z., Dillert R., Bahnemann D.W. Designing optimal metal-doped photocatalysts: Correlation between photocatalytic activity, doping ratio, and particle size // Journal of Physical Chemistry C. 2012. V. 116. P. 25558−25562. https://doi.org/10.1021/jp307313z
  11. 11. Khlyustova A., Sirotkin N., Kusova T. et al. Doped TiO2: the effect of doping elements on photocatalytic activity // Materials Advances. 2020. V. 1. P. 1193−1201. https://doi.org/10.1039/d0ma00171f
  12. 12. Sultana M., Mondal A., Islam S. et al. Strategic development of metal doped TiO2 photocatalysts for enhanced dye degradation activity under UV–Vis irradiation: A review // Current Research in Green and Sustainable Chemistry. 2023. V. 7. 100383. https://doi.org/10.1016/j.crgsc.2023.100383
  13. 13. Yu J., Zhou M., Yu H. et al. Enhanced photoinduced super-hydrophilicity of the sol–gel-derived TiO2 thin films by Fe-doping // Materials Science Communications. 2006. V. 95. P. 193–196. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.09.021
  14. 14. Mardare D., Iacomi F., Luca D. Substrate and Fe-doping effects on the hydrophilic properties of TiO2 thin films // Thin Solid Films. 2007. V. 515. P. 6474–6478. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.11.068
  15. 15. Wei H., Feng J., Ma C. et al. Effect of iron doping on the hydrophobicity of titanium dioxide film: experiment and simulation // Molecular Physics. 2019. P. 1–9. https://doi.org/10.1080/00268976.2019.1696477
  16. 16. Weng K.-W., Huang Y.-P. Preparation of TiO2 thin films on glass surfaces with self-cleaning characteristics for solar concentrators // Surface and Coatings Technology. 2013. V. 231. P. 201–204. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.06.058
  17. 17. Zhang X., Yang H., Tang A. Optical, electrochemical and hydrophilic properties of Y2O3 doped TiO2 nanocomposite films // Journal of Physical Chemistry B. 2008. V. 112. P. 16271–16279. https://doi.org/10.1021/jp806820p
  18. 18. Eshaghi A., Eshaghi A. Preparation and hydrophilicity of TiO2 sol–gel derived nanocomposite films modified with copper loaded TiO2 nanoparticles // Materials Research Bulletin. 2011. V. 46. P. 2342–2345. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.08.035
  19. 19. Liu Z., Wang Y., Peng X. et al. Photoinduced superhydrophilicity of TiO2 thin film with hierarchical Cu doping // Science and Technology of Advanced Materials. 2012. V. 13. 025001. https://doi.org/10.1088/1468-6996/13/2/025001
  20. 20. Nakamura M., Aoki T., Hatanaka Y. Hydrophilic characteristics of rf-sputtered amorphous TiO2 film // Vacuum. 2000. V. 59. P. 506–513. https://doi.org/10.1016/S0042-207X (00)00309-2
  21. 21. Mardare D., Yildiz A., Girtan M. et al. Surface wettability of titania thin films with increasing Nb content // Journal of Applied Physics. 2012. V. 112. 073502. https://doi.org/10.1063/1.4757007
  22. 22. Adomnitei C., Tascu S., Luca D. et al. Nb-doped TiO2 thin films as photocatalytic materials. Bull. Mater. Sci., 2015, 38, P. 1259–1262. https://doi.org/10.1007/s12034-015-1008-7
  23. 23. da Silva A. L., Dondi M., Hotza D. Self-cleaning ceramic tiles coated with Nb2O5-doped-TiO2 nanoparticles // Ceramics International. 2017. V. 43. P. 11986–11991. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.06.049
  24. 24. Yang X., Min Y., Li S. et al. Conductive Nb-doped TiO2 thin films with whole visible absorption to degrade pollutants // Catalysis Science and Technology. 2018. V. 8. P. 1357–1365. https://doi.org/10.1039/c7cy02614e
  25. 25. Murashkina A.A., Murzin P.D., Rudakova A.V. et al. Influence of the dopant concentration on the photocatalytic activity: Al-doped TiO2 // Journal of Physical Chemistry C. 2015. V. 119. P. 24695–24703. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b06252
  26. 26. Murashkina A.A., Rudakova A.V., Ryabchuk V.K. et al. Influence of the dopant concentration on the photoelectrochemical behavior of Al-doped TiO2 // Journal of Physical Chemistry C. 2018. V. 122. P. 7975–7981. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b12840
  27. 27. Murzin P.D., Murashkina A.A., Emeline A.V. et al. Effect of Sc3+/V5+ co-doping on photocatalytic activity of TiO2 // Topics in Catalisys. 2021. V. 64. P. 817–823. https://doi.org/10.1007/s11244-020-01292-1
  28. 28. Murzin P.D., Rudakova A.V., Emeline A.V. et al. Effect of the heterovalent doping of TiO2 with Sc3+ and Nb5+ on the defect distribution and photocatalytic activity // Catalysts. 2022. V. 12. 484. https://doi.org/10.3390/catal12050484
  29. 29. Shaitanov L., Murashkina A., Rudakova A. et al. UV-induced formation of color centers in dispersed TiO2 particles: Effect of thermal treatment, metal (Al) doping, and adsorption of molecules // Journal of Photochemistry and Photobiology A. 2018. V. 354. P. 33–46. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2017.07.038
  30. 30. Siliavka E.S., Rudakova A.V., Bakiev T.V. et al. Effect of the heterovalent Sc3+ and Nb5+ doping on photoelectrochemical behavior of anatase TiO2 // Catalysts. 2024. V. 14. 76. https://doi.org/10.3390/catal14010076
  31. 31. Emeline A.V., Rudakova A.V., Sakai M. et al. Factors affecting UV-induced superhydrophilic conversion of a TiO2 surface // Journal of Physical Chemistry C. 2013. V. 117. P. 12086–12092. https://doi.org/10.1021/jp400421v
  32. 32. Gesenhues U. Doping of TiO2 pigments by Al3+ // Solid State Ionics. 1997. V. 101-103. P. 1171–1180. https://doi.org/10.1016/S0167-2738 (97)00443-8
  33. 33. Taylor M.L., Morris G.E., Smart R.S.C. Influence of aluminum doping on titania pigment structural and dispersion properties // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. V. 262. P. 81–88. https://doi.org/10.1016/S0021-9797 (03)00212-1
  34. 34. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallographica. 1976. V. 32. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/s0567739476001551
  35. 35. Furubayashi Y., Hitosugi T., Yamamoto Y. et al. A transparent metal: Nb-doped anatase TiO2 // Applied Physics Letters. 2005. V. 86. 252101. https://doi.org/10.1063/1.1949728
  36. 36. Singh S., Sharma V., Sachdev K. Investigation of effect of doping concentration in Nb-doped TiO2 thin films for TCO applications // Journal of Materials Science. 2017. V. 52. P. 11580–11591. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1328-7
  37. 37. Lü X., Mou X., Wu J. et al. Improved-performance dye-sensitized solar cells using Nb-doped TiO2 electrodes: Efficient electron injection and transfer // Advanced Functional Materials. 2010. V. 20. P. 509–515. https://doi.org/10.1002/adfm.200901292
  38. 38. Maevskaya M.V., Rudakova A.V., Emeline A.V. et al. Effect of Cu2O substrate on photoinduced hydrophilicity of TiO2 and ZnO nanocoatings // Nanomaterials. 2021. V. 11. 1526. https://doi.org/10.3390/nano11061526
  39. 39. Deshpande R.A., Navne J., Adelmark M.V. et al. Understanding the light induced hydrophilicity of metal-oxide thin films // Nature Communications. 2024. V. 15. 124. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44603-2
  40. 40. Rudakova A.V., Emeline A.V., Romanychev A.I. et al. Photoinduced hydrophilic behavior of TiO2 thin film on Si substrate // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 872. 159746. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159746
  41. 41. Kahn A. Fermi level, work function and vacuum level // Materials Horizons. 2016. V. 3. P. 7−10. https://doi.org/10.1039/c5mh00160a
  42. 42. Shao G. Work function and electron affinity of semiconductors: Doping effect and complication due to Fermi level pinning // Energy and Environmental Materials. 2021. V. 4. P. 273–276. https://doi.org/10.1002/eem2.12218
  43. 43. De Angelis F., Di Valentin C., Fantacci S. et al. Theoretical studies on anatase and less common TiO2 phases: Bulk, surfaces, and nanomaterials // Chemical Reviews. 2014. V. 114. P. 9708−9753. https://doi.org/10.1021/cr500055q
  44. 44. Stashans A., Bermeo S. Al-bound hole polarons in TiO2 // Chemical Physics. 2009. V. 363. P. 100–103. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2009.08.006
  45. 45. Deak P., Aradi B., Frauenheim T. Polaronic effects in TiO2 calculated by the HSE06 hybrid functional: Dopant passivation by carrier self-trapping // Physical Review B. 2011. V. 83. 155207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.155207
  46. 46. Di Valentin C., Pacchioni G., Selloni A. Reduced and n-type doped TiO2: Nature of Ti3+ species // Journal of Physical Chemistry C. 2009. V. 113. P. 20543–20552. https://doi.org/10.1021/jp9061797
  47. 47. Shibata T., Irie H., Hashimoto K. Enhancement of photoinduced highly hydrophilic conversion on TiO2 thin films by introducing tensile stress // Journal of Physical Chemistry B. 2003. V. 107. P. 10696–10698. https://doi.org/10.1021/jp0357830
  48. 48. Alhomoudi I.A., Newaz G. Residual stresses and Raman shift relation in anatase TiO2 thin film // Thin Solid Films. 2009. V. 517. P. 4372–4378. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.02.141
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека