ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

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·Е_с,де E_с – 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 2p_3/2/2p_1/2 і 3d_5/2/3d_3/2 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 Е_звTi2p_3/2 = 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 ЕзвTi2p_3/2 = 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.

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.