Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (4), 492-507.

Вплив фазового складу матриці TiO2 на оптичні властивості та морфологію осаджених наночастинок C3N4Ox



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.492

M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, A. V. Ragulya, M. M. Zahornyi, V. V. Shvalagin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun

Анотація


Використання модифікованого киснем графітоподібного нітриду вуглецю (C3N4Ox), фоточутливого у видимій області спектра, поряд з TiO2, який виявляє фотокаталітичну активність тільки під дією УФ опромінювання, в складі бінарного фотокаталізатора C3N4Ox/TiO2, дозволяє використовувати енергію сонячного світла. Для розширення можливостей різних видів фотохімічного застосування фотокаталізаторів C3N4Ox/TiO2 важливе значення мають фазовий склад матриці TiO2, морфологія наночастинок композиту і їхні оптичні властивості. Композитний матеріал - C3N4Ox/TiO2 був синтезований відповідно з підходом, розробленим в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України для синтезу порошку легованого киснем нітриду вуглецю (C3N4Ox) методом CVD в особливих реакційних умовах (в присутності фіксованого обсягу повітря) піролізу меламіну. Осадження C3N4Ox проводять на поверхню наноструктурованої порошкоподібної матриці TiO2 різного фазового складу - рутилу або анатазу. Осадження C3N4Ox (~5 % O) на поверхні нанопорошків як рутилу, так і анатазу, підтверджено методами рентгенівської порошкової дифракції, скануючої електронної мікроскопії з методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії з Фур'є-перетворенням, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та спектрами дифузного відбиття в ультрафіолетовому та видимому діапазоні. СЕМ-мікрофотографії (визначали на скануючому електронному мікроскопі MIRA3 TESCAN) наночастинок обох композитів C3N4Ox/TiO2 (анатазної і рутилової фази) демонструють розташування TiO2 у вигляді окремих глобулярних наночастинок і кластерів між пластинами і в каналах пористих лускатих пластин C3N4Ox. Однак наночастинки фази анатазу (синтезованого в ІПМ НАНУ) мають вищу дисперсність, середній розмір неагрегованих майже монодисперсних частинок становить 10 нм. Дослідження спектрів поглинання зразків показало, що в ряду від TiO2 (анатаз), TiO2 (рутил), C3N4, C3N4Ox/TiO2 (анатаз), C3N4Ox/TiO2 (рутил) до C3N4Ox, спостерігається червоне зміщення довгохвильового краю основної смуги поглинання в спектрах, ширина забороненої зони зменшується з 3.2, 3.0, 2.6, 2.4, 2.25 до 2.1 еВ відповідно. В такому випадку C3N4Ox/TiO2 (особливо осаджений на фазі анатазу) буде поглинати більше видимого світла, ніж та g-C3N4, і TiO2, створюючи при цьому більше зарядів, що сприяє поліпшенню фотоактивності каталізаторів.


Ключові слова


анатаз; рутил; композит C3N4Ox/TiO2; О-допований нітрид вуглецю; фотокаталізатор; піроліз; меламін

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Putri L.K., Ng B.J., Er C.C., Ong W.J., Chang W.S., Mohamed A.R., Chaia S.P. Insights on the impact of doping levels in oxygen-doped gC3N4 and its effects on photocatalytic activity. Appl. Surf. Sci. 2020. 504: 144427. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144427

2. Lei J., Chen B., Lv W., Zhou L., Wang L., Liu Y., Zhang J. Inverse opal TiO2/g-C3N4 composite with heterojunction construction for enhanced visible light-driven photocatalytic activity. Dalton Trans. 2019. 48(10): 3486. https://doi.org/10.1039/C8DT04496A

3. Zhong R., Zhang Z., Luo S., Zhang Z.C., Huang L., Gu M. Comparison TiO2 and g-C3N4 2D/2D nanocomposites from three synthesis protocols for visible-light induced hydrogen evolution. Catal. Sci. Technol. 2019. 9(1): 75. https://doi.org/10.1039/C8CY00965A

4. Ovcharov M.L., Shvalagin V.V., Granchak V.M. Photocatalytic reduction of CO2 on mesoporous TiO2 modified with Ag/Cu bimetallic nanostructures. Theor. Exp. Chem. 2014. 50(3): 175. https://doi.org/10.1007/s11237-014-9362-x

5. Stroyuk A.L., Rayevska O.E., Shvalagin V.V., Kuchmiy S.Ya., Bavykin D.V., Streltsov E.A., Poznyak S.K. Gelatin-templated mesoporous titania for photocatalytic air treatment and application in metal-chalcogenide nanoparticle-sensitized solar cells. Photochem. Photobiol. Sci. 2013. 12(4): 621. https://doi.org/10.1039/C2PP25196E

6. Liu Q., Tian H., Dai Z., Sun H., Liu J., Ao Z., Wang S., Han C., Liu S. Nitrogen-doped carbon nanospheres-modified graphitic carbon nitride with outstanding photocatalytic activity. Nano-Micro Lett. 2020. 12(1): 1. https://doi.org/10.1007/s40820-019-0358-x

7. Wang H., Guan Y., Hu S., Pei Y., Ma W., Fan Z. Hydrothermal synthesis of band gap-tunable oxygen doped g-C3N4 with outstanding "two channel" photocatalytic H2O2 production ability assisted by dissolution-precipitation process. Nano. 2019. 14(2): 1950023. https://doi.org/10.1142/S1793292019500231

8. Jiang T., Liu S., Gao Y., Rony A.H., Fan M., Tan G. Surface modification of porous g-C3N4 materials by waste product for enhanced photocatalytic performance under visible light. Green Chem. 2019. 21: 5934. https://doi.org/10.1039/C9GC02631B

9. Wen J., Xie J., Chen X., Li X. A review on g-C3N4-based photocatalysts. Appl. Surf. Sci. 2017. 391: 72. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.030

10. Qu X., Hu S., Bai J., Li P., Lu G., Kang X. A facile approach to synthesize oxygen doped g-C3N4 with enhanced visible light activity under anoxic conditions via oxygen-plasma treatment. New J. Chem. 2018. 42(7): 4998. https://doi.org/10.1039/C7NJ04760F

11. Liu X., Ji H., Wang J., Xiao J., Yuan H., Xiao D. Ozone treatment of graphitic carbon nitride with enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation. J. Colloid Interface Sci. 2017. 505: 919. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.06.082

12. Wei F., Liu Y., Zhao H., Ren X., Liu J., Hasan T., Chen L., Li Y., Su B. Oxygen self-doped g-C3N4 with tunable electronic band structure for unprecedentedly enhanced photocatalytic performance. Nanoscale. 2018. 10(9): 4515. https://doi.org/10.1039/C7NR09660G

13. Li J., Shen B., Hong Z. A facile approach to synthesize novel oxygen-doped g-C3N4 with superior visible-light photoreactivity. Chem. Commun. 2012. 48(98): 12017. https://doi.org/10.1039/c2cc35862j

14. Ming L., Yue H., Xu L., Chen F. Hydrothermal synthesis of oxidized g-C3N4 and its regulation of photocatalytic activity. J. Mater. Chem. A. 2014. 2(45): 19145.

15. Yang L.Q., Huang J.F., Shi L., Cao L.Y., Yu Q., Jie Y.N., Fei J., Ouyang H.B., Ye J.H. A surface modification resultant thermally oxidized porous g-C3N4 with enhanced photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal. B. 2017. 204: 335. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.11.047

16. Qiu P.X., Xu C.M., Chen H., Fang J., Xin W., Ruifeng L., Xirui Z. One step synthesis of oxygen doped porous graphitic carbon nitride with remarkable improvement of photo-oxidation activity: Role of oxygen on visible light photocatalytic activity. Appl. Catal. B. 2017. 206: 319. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.01.058

17. Kharlamov A.I., Kharlamova G.A., Bondarenko M.E. New products of a new method for pyrolysis of pyridine. Russ. J. Appl. Chem. 2013. 86(2): 167. https://doi.org/10.1134/S1070427213020079

18. Kharlamov O., Bondarenko M., Kharlamova G. O-Doped Carbon Nitride (O-g-C3N) With High Oxygen Content (11.1 mass %) Synthesized by Pyrolysis of Pyridine. In: Nanotechnology to Aid Chemical and Biological Defense, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. V. 9. (Dordrecht: Springer Science+Business Media, 2015). P. 129. https://doi.org/10.1007/978-94-017-7218-1_9

19. Kharlamov A.I., Bondarenko M.E., Kharlamova G.A. New method for synthesis of oxygen-doped graphite-like carbon nitride from pyridine. Russ. J. Appl. Chem. 2014. 87(9): 1284. https://doi.org/10.1134/S107042721409016X

20. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G. Method for the synthesis of water-soluble oxide of graphite-like carbon nitride. Diamond Relat. Mater. 2016. 61: 46. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.11.006

21. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G., Gubareni N. Features of the synthesis of carbon nitride oxide (g-C3N4)O at urea pyrolysis. Diamond Relat. Mater. 2016. 66: 16. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.03.012

22. Kharlamov A., Bondarenko M., Kharlamova G., Fomenko V. Synthesis of reduced carbon nitride at the reduction by hydroquinone of water-soluble carbon nitride oxide (g-C3N4)O. J. Solid State Chem. 2016. 241: 115. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.06.003

23. Kharlamov O., Bondarenko M., Kharlamova G., Silenko P., Khyzhun O., Gubareni N. Carbon Nitride Oxide (g-C3N4)O and Heteroatomic N-graphene (Azagraphene) as Perspective New Materials in CBRN defense. In: Nanostructured Materials for the Detection of CBRN, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. (Springer, Dordrecht, Chapter, V. 20. 2018). P. 245. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1304-5_20

24. Bondarenko M., Silenko P., Gubareni N., Khyzhun O., Ostapovskaya N., Solonin Yu. Synthesis of multilayer azagraphene and carbon nitride oxide. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 393. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.393

25. Bondarenko M., Silenko P., Solonin Yu., Gubareni N., Khyzhun O., Ostapovskaya N. Synthesis O-g-C3N4/TiO2 rutile composite material for photocatalytic application. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(4): 398.

26. Li H., Wu X., Yin S., Katsumata K., Wang Y. Effect of rutile TiO2 on the photocatalytic performance of g-C3N4/brookite-TiO2-xNy photocatalyst for NO decomposition. Appl. Surf. Sci. 2017. 392: 531. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.09.075

27. Li Y., Lv K., Ho W., Dong F., Wu X., Xia Y. Hybridization of rutile TiO2 (rTiO2) with g-C3N4 quantum dots (CN QDs): An efficient visible-light-driven Z-scheme hybridized photocatalyst. Appl. Catal. B. 2017. 202: 611. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.09.055

28. Liu C., Wang F., Zhang J., Wang K., Qiu Y., Liang Q., Chen Z. Efficient Photoelectrochemical Water Splitting by g-C3N4/TiO2 Nanotube Array Heterostructures. Nano-Micro Lett. 2018. 10: 37. https://doi.org/10.1007/s40820-018-0192-6

29. Xu J., Li Y., Zhou X., Li Y., Gao Z.-D., Song Y.-Y., Schmuki P. Graphitic C3N4 sensitized TiO2 nanotube layers: a visible light activated efficient antimicrobial platform. Chem. Eur. J. 2016. 22(12): 3947. https://doi.org/10.1002/chem.201505173

30. Shalom M., Gimenez S., Schipper F., Herraiz-Cardona I., Bisquert J., Antonietti M. Controlled carbon nitride growth on surfaces for hydrogen evolution electrodes. Angew. Chem. 2014. 53(14): 3654. https://doi.org/10.1002/anie.201309415

31. Boonprakob N, Wetchakun N, Phanichphant S, Waxler D, Sherrell P, Nattestad A, Chen J, Inceesungvorn B. Enhanced visible-light photocatalytic activity of g-C3N4/TiO2 films. J. Colloid Interface Sci. 2014. 1(417): 402. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2013.11.072

32. Ren B, Wang T, Qu G, Deng F, Liang D, Yang W, Liu M. In situ synthesis of g-C3N4/TiO2 heterojunction nanocomposites as a highly active photocatalyst for the degradation of Orange II under visible light irradiation. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018. 25(19): 19122. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2114-z

33. Wang P., Guo X., Rao L., Wang C., Guo Y., Zhang L. A weak-light-responsive TiO2/g-C3N4 composite film: photocatalytic activity under low-intensity light irradiation. Environ Sci. Pollut. Res. Int. 2018. 25(20): 20206. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2201-1

34. Kelyp O.O., Petrik I.S., Vorobets V.S., Smirnova N.P., Kolbasov G.Ya. Sol-gel synthesis and characterization of mesoporous TiO2 modified with transition metal ions (Co, Ni, Mn, Cu). Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2013. 4(1): 105. https://doi.org/10.15407/hftp04.01.105

35. Chubenko E.B., Denisov N.M., Baglov A.V., Bondarenko V.P., Borisenko V.E. Recovery behavior of the luminescence peak from graphitic carbon nitride as a function of the synthesis temperature. Cryst. Res. Technol. 2020. 55(3): 1900163. https://doi.org/10.1002/crat.201900163

36. Liu S., Li D., Sun H. Ang H.M., Tade M.O., Wang S. Oxygen functional groups in graphitic carbon nitride for enhanced photocatalysis. J. Colloid Interface Sci. 2016. 468: 176. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.01.051

37. Wang C., Fan H., Ren X., Ma J., Fang J., Wang W. Hydrothermally induced oxygen doping of graphitic carbon nitride with a highly ordered architecture and enhanced photocatalytic activity. Chem. Sus. Chem. 2018. 11(4): 700. https://doi.org/10.1002/cssc.201702278

38. Pankivska Yu.B., Biliavska L.O., Povnitsa O.Yu., Zagornyi M.M., Ragulia A.V., Kharchuk M.S., Zagorodnya S.D. Antiadenoviral activity of titanium dioxide nanoparticles. Mikrobiolohichnyi Zhurnal. 2019. 81(5): 73. https://doi.org/10.15407/microbiolj81.05.073

39. Huang Z.F., Song J., Pan L., Wang Z., Zhang X., Zou J.J. Carbon nitride with simultaneous porous network and O-doping for efficient solar-energy-driven hydrogen evolution. Nano Energy. 2015. 12: 646.

40. Xue J., Fujitsuka M., Majima T. The role of nitrogen defects in graphitic carbon nitride for visible-light-driven hydrogen evolution. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. 21(5): 2318.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.492

Copyright (©) 2020 M. E. Bondarenko, P. M. Silenko, Yu. M. Solonin, A. V. Ragulya, M. M. Zahornyi, V. V. Shvalagin, N. I. Gubareni, O. Yu. Khyzhun

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0