Фотокатализаторы видимого диапазона на основе допированного азотом и углеродом нанокристаллического диоксида титана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Получены функционирующие в видимой области спектра фотокатализаторы на основе нанокристаллического диоксида титана, допированного азотом и углеродом, в форме микросфер. Изучены их структурные, оптоэлектронные и фотокаталитические свойства. Методом электронного парамагнитного резонанса идентифицированы спиновые центры (дефекты) и определена их концентрация во всех исследуемых образцах. В микросферах, допированных азотом, обнаружены атомы азота с неспаренным электроном и центры Ti3+/кислородная вакансия. В микросферах с примесью углерода зарегистрированы оборванные связи углерода. Фотокатализаторы, допированные одновременно азотом и углеродом, характеризуются как азотными, так и углеродными спиновыми центрами. Обнаружено, что в процессе освещения концентрация парамагнитных дефектов увеличивается, что объясняется их перезарядкой. Установлена корреляция между концентрацией спиновых центров и скоростью фотокатализа в полученных структурах. Показано, что образцы, допированные двумя примесями, характеризуются высокой скоростью фотокатализа и пролонгированным катализом в течение 30 мин после выключения освещения, а также стабильными фотокаталитическими свойствами в течение нескольких лет, что определяет новизну выполненных исследований и высокую перспективность для применения в экологии и биомедицине.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. В. Кытина

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1

В. Б. Зайцев

МГУ им. М.В. Ломоносова; Университет Шэньчжэнь МГУ-БИТ

Автор, ответственный за переписку.
Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1; Китай, 518172, Шэньчжэнь

Е. А. Константинова

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: liza35@mail.ru

Физический факультет

Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1

В. А. Кульбачинский

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1

Список литературы

  1. Khan A.U., Tahir K., Shah M.Z.U. et al. // Nanomaterials. 2024. V. 14. № 13. P. 1136. https://doi.org/10.3390/nano14131136
  2. Hwang I., Schmuki P., Mazare A. // Physica Status Solidi A. 2024. V. 221. № 16. P. 2400335. https://doi.org/10.1002/pssa.202400335
  3. Dongmei He, Du L., Wang K. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 13. P. 1986. https://doi.org/10.1134/S0036023621130040
  4. Mokrushin A.S., Gorban Yu.M., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2099. https://doi.org/10.1134/S0036023622601520
  5. Zheleznov V.V., Tkachenko I.A., Ziatdinov A.M. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 1. P. 95. https://doi.org/10.1134/S0036023622602045
  6. Wang N., Ma W., Jin Y. // Mater. Res. Express. 2024. V. 11. № 7. P. 075506. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad5fe1
  7. Wang Q., Yuan Y., Li C. et al. // Renew Energy. 2024. V. 231. P. 120997. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120997
  8. Chang Y.-C., Lai P.-R., Yang J.H.C. et al. // J Alloys Compd. 2024. V. 1002. P. 175443. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175443
  9. Hu L., Huo K., Chen R. et al. // Anal. Chem. 2011. V. 83. № 21. P. 8138. https://doi.org/10.1021/ac201639m
  10. Jaafar H., Ahmad Z.A., Ain M.F. // Optik. 2017. V. 144. P. 91. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.06.097
  11. Wang X., Liu X., Liu L. et al. // Appl. Catal., B: Environment and Energy. 2024. V. 358. P. 124338. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124338
  12. Schneider J., Matsuoka M., Takeuchi M. et al. // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 19. P. 9919. https://doi.org/10.1021/cr5001892
  13. Rangel-Contreras V., Reyes-Vallejo O., Subramaniam V. // J. Mater. Sci. — Mater. Electron. 2024. V. 35. № 19. P. 1301. https://doi.org/10.1007/s10854-024-12986-7
  14. Wei Y., Huang Y., Fang Y. et al. // Mater. Res. Bull. 2019. V. 119. P. 110571. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2019.110571
  15. Liu Z., Zhang X., Nishimoto S. et al. // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. № 22. P. 8547. https://doi.org/10.1021/es8016842
  16. Haghighi P., Haghighat F. // Build. Environ. 2024. V. 249. P. 111108. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2023.111108
  17. Kerstner Baldin E., Marasca Antonini L., De León M.A. et al. // Bull. Mater. Sci. 2024. V. 47. № 3. P. 133. https://doi.org/10.1007/s12034-024-03238-9
  18. Motola M., Čaplovičová M., Krbal M. et al. // Electrochim. Acta. 2020. V. 331. P. 135374. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135374
  19. Low J., Yu J., Jaroniec M. et al. // Adv. Mater. 2017. V. 29. № 20. https://doi.org/10.1002/adma.201601694
  20. Konstantinova E.A., Minnekhanov A.A., Kytina E.V. et al. // JETP Lett. 2020. V. 112. № 8. P. 527. https://doi.org/10.1134/S0021364020200060
  21. Tang T., Yin Z., Chen J. et al. // Chem. Eng. J. 2021. V. 417. P. 128058. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128058
  22. Zubair M., Kim H., Razzaq A. et al. // J. CO2 Utilization. 2018. V. 26. P. 70. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.04.004
  23. Piedra-López J., Calzada L.A., Guerra-Blanco P. et al. // Catal. Today. 2024. V. 432. P. 114610. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2024.114610
  24. Shabalina A., Golubovskaya A., Fakhrutdinova E. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 22. P. 4101. https://doi.org/10.3390/nano12224101
  25. Stoll S., Schweiger A. // J. Magn. Reson. 2006. V. 178. № 1. P. 42. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2005.08.013
  26. Byung-Hyun K., Mina P., Gyubong K. et al. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 27. P. 15297. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b02239
  27. Kytina E.V., Savchuk T.P., Gavrilin I.M. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 3. P. 357. https://doi.org/10.1134/S003602362260229X
  28. Morimoto A., Miura T., Kumeda M. et al. // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. № 11. P. 7299. https://doi.org/10.1063/1.329879
  29. Livraghi S., Chierotti M.R., Giamello E. et al. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 44. P. 17244. https://doi.org/10.1021/jp803806s
  30. Li Y., Peng Y.-K., Hu L. et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 4421. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12385-1
  31. Konstantinova E.A., Minnekhanov A.A., Kokorin A.I. et al. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 18. P. 10248. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b01621

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Микрофотографии микросфер N-C-TiO2. Масштабные полоски равны 100 нм (а), 1 мкм (б).

Скачать (519KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограмма образцов N-C-TiO2.

Скачать (27KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Определение ширины запрещенной зоны допированных микросфер N-C-TiO2 и образцов TiO2 без примесей.

Скачать (26KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетика фотокатализа для микросфер TiO2 (1), N-TiO2 (2), C-TiO2 (3), N-С-TiO2 (4), N-C-TiO2_old (5) при фотовозбуждении в видимом диапазоне спектра. Стрелками показаны моменты включения (τ = 0) и выключения освещения (τ = 20 мин). С0 – концентрация красителя в момент времени τ = 0, С – концентрация красителя в момент времени τ.

Скачать (27KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры ЭПР серии микросфер в темновых условиях и при освещении: N-С-TiO2 (1 и 2), N-TiO2 (3 и 4), С-TiO2 (5 и 6), TiO2 (7).

Скачать (28KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кинетика релаксации амплитуды сигнала ЭПР от оборванных связей углерода в N-C-TiO2. На вставке представлена кинетика для допированного углеродом TiO2.

Скачать (27KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025