ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

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

Методом іонної імплантації синтезовано нанесений Ті-вмісний каталізатор на поверхні нержавіючої сталі. Геометричні розміри камери для імплантації дозволяють синтезувати композити з максимальним розміром 30×30 см. Форма і розміри дозволяють використовувати отримані зразки для видалення шкідливих речовин як з водних розчинів, так із газових сумішей. Показано, що в результаті імплантації іонів Ті відбувається досить значне збільшення механічної міцності поверхневого шару. Після термічної обробки вона дещо спадає, але все одно залишається більшою, ніж міцність самого носія – нержавіючої сталі. Фізико-хімічними методами (РФА, АСМ, СЕМ та РФЕС) охарактеризовано склад поверхні нанесеного каталізатора та вплив на нього термічної обробки зразка. Показано, що в результаті іонної імплантації Ті на поверхні нержавіючої сталі формується нанорозмірний шар імплантату, у вигляді рентгеноаморфної композиції, яка складається з оксиду, нітриду та оксинітриду титану. Показана висока фотокаталітична активність цього каталізатора в процесі знешкодження бензолу у водних стоках при опроміненні видимим світлом, яка значно перевищує його активність в УФ-діапазоні. Підвищення температури обробки веде до зниження активності зразків. Подібні зміни фотоактивності зразків можуть бути пояснені впливом температури на співвідношення між нітридною, оксинітридною та оксидною фазами титану. При цьому кількість останньої зростає при збільшенні температури обробки. Висловлено гіпотезу про активні фази на поверхні носія, які забезпечують його високу активність в реакції фотодеструкції водного розчину бензолу при опроміненні видимим світлом. Таким чином, показано перспективність та практичність використання одержаних зразків в процесі видалення бензолу з його водних розчинів у видимому спектрі випромінювання, що є надзвичайно актуальним з екологічної точки зору.

1. Pawar R. Heterogeneous Nanocomposite-Photocatalysis for Water Purification. (Waltham: Elsevier, 2015).

2. Akbal F., Onar N. Photocatalytic degradation of phenol. Environ. Monit. Assess. 2003. 83(3): 295. https://doi.org/10.1023/A:1022666322436

3. Wang K.-H., Hsieh Y.-H., Chou M.-Y., Chang C.-Y. Photocatalytic degradation of 2-chloro and 2-nitrophenol by titanium dioxide suspensions in aqueous solution. Appl. Catal. B. 1999. 21(1): 1. https://doi.org/10.1016/S0926-3373(98)00116-7

4. About drinking water, drinking water supply and disposal of domestic effluents. Ministry of Regional Development. Construction and Municipal Facilities of Ukraine. https://zakon.rada.gov.ua/laws/card/z0056-18

5. Dewidar N., Nosier S.A., El-Shazly A.H. Photocatalytic degradation of phenol solution using Zinc Oxide. J. Chem. Health Safety. 2018. 25(1): 2. https://doi.org/10.1016/j.jchas.2017.06.001

6. Egerton T.A. Titanium compounds, Inorganic. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. (New York: Wiley, 1997).

7. Didier R., Sixto M. Solar photocatalysis: a clean process for water detoxification. Sci. Total Environ. 2002. 291(1-3): 85. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(01)01094-4

8. Janus M., Kusiak E., Morawski A.W. Carbon Modified TiO₂ Photocatalyst with Enhanced Adsorptivity for Dyes from Water. Catal. Lett. 2009. 131(3/4): 506. https://doi.org/10.1007/s10562-009-9932-z

9. Zeng L., Song W., Li M., Jie X., Zeng D., Xie Ch. Comparative study on the visible light driven photocatalytic activity between substitutional nitrogen doped and interstitial nitrogen doped TiO₂. Appl. Catal. A. 2014. 488: 239. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2014.09.041

10. Chen X., Mao S.S. Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications. Chem. Rev. 2007. 107(7): 2891. https://doi.org/10.1021/cr0500535

11. Thompson T.L., Yates J.T. Surface Science Studies of the Photoactivation of TiO₂ - New Photochemical Processes. Chem. Rev. 2006. 106(10): 4428. https://doi.org/10.1021/cr050172k

12. Malato S., Fernandez-Ibanez P., Maldonato M.I., Blanco J., Gernjak W. Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: Recent overview and trends. Catal. Today. 2009. 147(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.06.018

13. Rachel A., Subrahmanyam M., Boule P. Comparison of photocatalytic efficiencies of TiO₂ in suspended and immobilised form for the photocatalytic degradation of nitrobenzenesulfonic acids. Appl. Catal. B. 2002. 37(4): 301. https://doi.org/10.1016/S0926-3373(02)00007-3

14. Shan A.Y., Mohd T.I., Ghazi S.A. Rashid Immobilisation of titanium dioxide onto supporting materials in heterogeneous photocatalysis: A review. Appl. Catal. A. 2010. 389(1-2): 1. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2010.08.053

15. Zazhigalov V.O., Honcharov V.V. The Formation of Nanoscale Coating on the 12Cr18Ni10Ti Steel During Ion Implantation. Metallophysics and Advanced Technologies. 2014. 36(6): 757. https://doi.org/10.15407/mfint.36.06.0757

16. Measurement of microhardness by diamond tips scratching. GOST 21318-75. State committee of standards of Council of ministers of the USSR. 1975.

17. ICDD card N 00-033-0397. Pfoertsch, Ruud, Penn State University, University Park, Pennsylvania, USA. ICDD Grant-in-Aid, 1982.

18. Moulder J.F., Stickle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. (Eden Prairie: Perkin-Elmer Corporation, 1992).

19. Wang J., Tafen D., Lewis J.P., Hong Zh., Manivannan A., Zhi M., Li M., Wu N. Origin of Photocatalytic Activity of Nitrogen-Doped TiO2 Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 2009. 131(34): 12290. https://doi.org/10.1021/ja903781h

20. Yoo J.B., Yoo H.J., Jung H.J., Kim H.S., Bang S., Choi J., Suh H., Lee J.-H., Kimb J.-G., Hur N.H. Titanium oxynitride microspheres with the rock-salt structure for use as visible-light photocatalysts. J. Mater. Chem. A. 2016. 4(3): 869. https://doi.org/10.1039/C5TA06758H

21. Martínez-Ferrero E., Sakatani Y., Boissière C., Grosso D. Nanostructured titanium oxynitride porous thin films as efficient visible-active photocatalysts. Adv. Funct. Mater. 2007. 17(16): 3348. https://doi.org/10.1002/adfm.200700396