Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (4), 547-555.

Дослідження методом РФС поверхні нанопорошків TiO2:Ag



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.547

O. M. Korduban, T. V. Kryshchuk, V. O. Kandyba, V. V. Trachevskii

Анотація


Методом електричного вибуху провідників (ЕВП) синтезовано нанопорошки n-TiO2 та n-TiO2:Ag. Легування нанопорошків відбувалось під час вибуху титанового дроту, на поверхню якого було нанесено шар Ag2O відповідної маси. Енергія вибуху дорівнювала Е = 3.1·Ес,де Eс – енергія сублімації металу. На основі синтезованих нанопорошків сформовано мезопоруваті n-TiO2 та n-TiO2:Ag плівки. Методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії досліджено фазовий склад поверхні кількох серій n-TiO2 та n-TiO2:Ag зразків при різних умовах відпалу. РФС-спектри Ti2p- і Ag3d-рівнів були розкладені методом Гауса-Ньютона на зв’язані між собою для врахування спін-орбітального розщеплення пари компонент 2p3/2/2p1/2 і 3d5/2/3d3/2 з параметрами DЕ = 5.76 еВ; I1/I2 = 0.5 та DЕ = 6.0 еВ; I1/I2 = 0.66 відповідно. В роботі приведені гістограми вкладів компонент у Ti2p- та Ag3d- спектри, які змінюються в залежності від ступеня легування та умов відпалу для 4 серій зразків. За даними РФС на поверхні ЕВП - нанопорошків n-TiO2 та n-TiO2:Ag титан представлений Ti3+- та Ti4+- станами, срібло - Ag0-, Ag1+- та Ag2+- станами. В усіх серіях зразків зі збільшенням абсолютного вмісту Ag одночасно зростає вклад Ti3+- станів, що є наслідком викривлення ґратки через формування поверхневої фази зі зв’язком Ti–O–Ag. Відпал при 300 °С в повітрі призводить до зростання вкладу в спектри Ti4+- станів ЕзвTi2p3/2 = 458.3 еВ та Ag1+- станів. Попередня обробка зразків перекисом водню перед їх відпалом призводить до збільшення вкладу оксидно-гідроксидних фаз титану та Ag0- станів. Відпал зразків при 300 °С в аргоні з попередньою обробкою перекисом водню призводить до збільшення вкладу в спектри Ti4+- станів з ЕзвTi2p3/2 = 458.8 еВ, оксидно-гідроксидних фаз титану та Ag0. Встановлено, що напрямок окиснювально–відновлювальних процесів на поверхні n-TiO2 після дії H2O2 та подальшого відпалу в повітрі залежить від стану гідратованості вихідних нанопорошків.


Ключові слова


n-TiO2; n-TiO2:Ag; рентгенівська фотоелектронна спектроскопія; електричний вибух провідників

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Ranjan P., Nakagawa S., Suematsu H., Sarathi R. Synthesis and photocatalytic activity of anatase/rutile TiO2 nanoparticles by wire explosion process. INAE Lett. 2018. 3(4): 189. https://doi.org/10.1007/s41403-018-0048-x

2. Zhao Z., Hwang S.H., Jeon S., Hwang B., Jung J.-Yu., Lee J., Park S.-Hu Three-dimensional plasmonic Ag/TiO2 nanocomposite architectures on flexible substrates for visible-light photocatalytic activity. Sci. Rep. 2017. 7: 8915. https://doi.org/10.1038/s41598-017-09401-z

3. Diesen V., Jonsson M. Formation of H2O2 in TiO2 photocatalysis of oxygenated and deoxygenated aqueous systems: a probe for photocatalytically produced hydroxyl radicals. J. Phys. Chem. C. 2014.118(19): 10083. https://doi.org/10.1021/jp500315u

4. Wu Z., Guo K., Cao S., Yao W., Piao L. Synergetic catalysis enhancement between H2O2 and TiO2 with single-electron-trapped oxygen vacancy. Nano Res. 2020. 13: 551. https://doi.org/10.1007/s12274-020-2650-y

5. Benkoula S., Sublemontier O., Patanen M., Nicolas C., Sirotti F., Naitabdi A., Gaie-Levrel F., Antonsson E., Aureau D., Ouf F.-X., Wada Sh.-I., Etcheberry A., Ueda K., Miron C. Water adsorption on TiO2 surfaces probed by soft X-ray spectroscopies: bulk materials vs. isolated nanoparticles. Sci. Rep. 2015. 5: 15088. https://doi.org/10.1038/srep15088

6. Gogoi D., Namdeo A., Golder A.K., Peela N.R. Ag-doped TiO2 photocatalysts with effective charge transfer for highly efficient hydrogen production through water splitting. Int. J. Hydrogen Energy. 2020. 45(4): 2729. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.127

7. Shwetharani R., Sakar M., Fernando C.A.N., Binas V., GeethaBalakrishna R. Recent advances and strategies applied to tailor energy levels, active sites and electron mobility in titania and its doped/composite analogues for hydrogen evolution in sunlight. Catal. Sci. Technol. 2019. 9(1): 12. https://doi.org/10.1039/C8CY01395K

8. Cao Y., Tan H., Shi T., Tang T., Li J. Preparation of Ag-doped TiO2 nanoparticles for photocatalytic degradation of acetamiprid in water. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2008. 83(4): 546. https://doi.org/10.1002/jctb.1831

9. Shpak A.P., Korduban A.M., Medvedskij M.M., Kandyba V.O. XPS studies of active elements surface of gas sensors based on WO3−x nanoparticles. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2007. 156-158: 172. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2006.12.059

10. Briggs D., Seach M.P. Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy. (Chichester - New York: John Wiley & Sons Ltd., 1983).

11. Wagner C.D., Moulder J.F., Davis L.E., Riggs W.M. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. (New York: Perkin-Elmer Corporation, 1979).

12. Nefedov V.I. Roentgenoelectronic Spectroscopy of Chemical Compounds. (Moscow: Khimiya, 1984). [in Russian].

13. Satoh N., Nakashima T., Kamikura K., Yamamoto K. Quantum size effect in TiO2 nanoparticles prepared by finely controlled metal assembly on dendrimer templates. Nat. Nanotechnol. 2008. 3. 106. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.2

14. Sikdar S., Pathak S., Ghorai T.K. Aqueous phase photodegradation of rhodamine B and p-nitrophenol desctruction using titania based nanocomposites. Adv. Mater. Lett. 2015. 6(10): 867. https://doi.org/10.5185/amlett.2015.5858

15. Wint T.H.M., Smith M.F., Chanlek N., Chen F., Oo T.Z., Songsiriritthigul P. Physical origin of diminishing photocatalytic efficiency for recycled TiO2 nanotubes and Ag-loaded TiO2 nanotubes in organic aqueous solution. Catalysts. 2020. 10(7): 737. https://doi.org/10.3390/catal10070737

16. Ferraria A.M., Carapeto A.P., Botelho do Rego A.M. X-ray photoelectron spectroscopy: silver salts revisited. Vacuum. 2012. 86(12): 1988. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.05.031

17. Thomas S., Durand D., Chassenieux C., Jyotishkumar P. Handbook of Biopolymer-Based Materials: From Blends and Composites to Gels and Complex Networks. (John Wiley & Sons, 2013). P. 61. https://doi.org/10.1002/9783527652457

18. Agirseven O., Rivella D.T.Jr., Haggerty J.E.S., Berry P.O., Diffendaffer K., Patterson A., Kreb J., Mangum J.S., Gorman B.P., Perkins J.D., Chen B.R., Schelhas L.T., Tate J. Crystallization of TiO2 polymorphs from RF-sputtered, amorphous thin-flm precursors. AIP Adv. 2020. 10(2): 025109. https://doi.org/10.1063/1.5140368

19. Eremenko A., Smirnova N., Gnatiuk I., Linnik O., Vityuk N., Mukha Y., Korduban A. Silver and Gold Nanoparticles on Sol-Gel TiO2, ZrO2, SiO2 Surfaces: Optical Spectra, Photocatalytic Activity, Bactericide Properties. In: Nanocomposites and Polymers with Analytical Methods. Chapter 3: Composite Materials. 2011. P. 51. https://doi.org/10.5772/18252

20. Linnik O., Petrik I., Smirnova N., Kandyba V., Korduban A.M., Eremenko A., Socol G., Stefan N., Ristoscu C., Mihailescu I.N., Sutan C., Viorel M., Djokic V., Janackovic D. TiO2/ZrO2 thin films synthesized by PLD in low pressure N-, C- and/or O-containing gases: structural, optical and photocatalytic properties. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2012. 7(3): 1343.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.547

Copyright (©) 2020 O. M. Korduban, T. V. Kryshchuk, V. O. Kandyba, V. V. Trachevskii

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0