Хімія, фізика та технологія поверхні, 2025, 16 (1), 141-148.

Структура, фотолюмінесценція та фотокаталітична активність нанокомпозитів TiO2@Au/Sm3+ для ремедіації барвників



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.141

O. M. Lavrynenko, M. M. Zahornyi, E. Paineau

Анотація


Текстильна промисловість виробляє багато токсичних барвників і пігментів, які можуть поглинати та відбивати сонячне світло у воді. Останнім часом застосування гетерогенного фотокаталізу для видалення цих забруднювачів є дуже ефективним з використанням нанокомпозитів на основі оксиду металу з благородними та рідкісноземельними металами під різним світловим опроміненням. Вплив концентрації допанту на структурні, оптичні та електронні властивості наноматеріалів TiO2 також важливий для їхньої фотокаталітичної ефективності. Синтез частинок TiO2&Au/Sm із вмістом золота 2 і 4 мас. % та самарію 0.2 мас. % здійснювали шляхом хімічного осадження розчину ТТІП (титан тетраізопропоксиду) в присутності катіонів Sm3+ та Au3+. ОКР нанопорошків становив 18–20 нм. Показано, що в структуру композиту входить золото зі збільшенням параметрів кристалічної ґратки анатазу. Наявність самарію в структурі композиту підтверджена методами EДС та ФЛ. Отримані структури виявили високу сорбційну активність до катіонних барвників (метиленового блакитного та родаміну Б), меншу – до аніонних, зокрема, Orange G (помаранчевий Ж). Показано, що під впливом УФ-опромінення розчини зазнають зміни кольору, що супроводжується руйнуванням молекул барвника, яке підтверджується гіпсохромним зсувом характерного максимуму в оптичних спектрах поглинання. Серія OЖ (46.7 %) < MП (89.2 %) < MБ (96.0 %) < Род Б (98.5 %) для частинок TiO2&Au/Sm ([Au] = 2 мас. %, [Sm] = 0.2 мас. %) і MП (22.6 %) < Род Б (24.1 %) < OЖ (41.5 %) < MБ (98.6 %) для частинок TiO2&Au/Sm ([Au] = 4 мас. %, [Sm] = 0.2 мас. %) до інтенсивності знебарвлення розчинів барвника. Різниця в перебігу фотокаталітичного процесу може бути пов’язана з ТНЗ (точка нульового заряду) композитних частинок, яка становить 7.01 ([Au] = 2 мас. %) і 9.25 ([Au] = 4 мас. %).


Ключові слова


титан тетраізопропоксид; анатаз; самарій; золото; органічні барвники; УФ опромінювання; фотокаталіз

Посилання


1. Wang J., Wang Zh., Wang W., Wang Y., Hu X., Liu J., Gong X., Miao W., Ding L., Li X., Tang J. Synthesis, modification and application of titanium dioxide nanoparticles: a review. Nanoscale. 2022. 14(18): 6709. https://doi.org/10.1039/D1NR08349J

2. Madkhali N., Prasad Ch, Malkapp K., Choi H.Y., Govinda V., Bahadur I., Abumousa R.A. Recent update on photocatalytic degradation of pollutants in waste water using TiO2-based heterostructured material. Results Eng. 2023. 17: 10092. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.100920

3. Seery M.K, George R., Floris P., Pillai S.C. Silver doped titanium dioxide nanomaterials for enhanced visible light photocatalysis. J. Photochem. Photobiol., A. 2007. 189(2-3): 258. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2007.02.010

4. Sescu A.M, Favier L., Lutic D., Soto-Donoso N., Ciobanu G., Harja M. TiO2 Doped with Noble Metals as an Efficient Solution for the Photodegradation of Hazardous Organic Water Pollutants at Ambient Conditions. Water. 2021. 13(1): 19. https://doi.org/10.3390/w13010019

5. Mercyrani B., Hernandez Maya R., Solis Lopez M., Th‑Th Ch., Velumani S. Photocatalytic degradation of Orange G using TiO2/Fe3O4 nanocomposites. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2018. 29: 15436. https://doi.org/10.1007/s10854-018-9069-1

6. Gyulavári T., Kovács K., Kovács Z., Bárdos E., Kovács G., Baán K., Magyari K., Veréb G., Pap Z., Hernadi K. Preparation and characterization of noble metal modified titanium dioxide hollow spheres - new insights concerning the light trapping efficiency. Appl. Surf. Sci. 2020. 534: 147327. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147327

7. Martins R.C., Domingues E., Bosio M., Quina M.J., Gmurek M., Quinta-Ferreira R.M., Gomes J. Effect of Different Radiation Sources and Noble Metal Doped onto TiO2 for Contaminants of Emerging Concern Removal. Water. 2019. 11(5): 894. https://doi.org/10.3390/w11050894

8. Mukherjee S., Chakraborty S., Aniruddha S. et al. Band gap tuning in gold nanoparticle decorated TiO2 films: effect of Au nanoparticle concentration. Mater. Res. Express. 2017. 4(6): 065016. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa73fb

9. Torrell M., Adochite R.C., Cunha L., Barradas N.P., Alves E., Beaufort M. F., Rivire J.P., Cavaleiro A., Dosta S., Vaz F. Surface Plasmon Resonance Effect on the Optical Properties of TiO2 Doped by Noble Metals Nanoparticles. J. Nano Res. 2012. 18-19: 177. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.18-19.177

10. Jaramillo-Fierro X., León R. Effect of Doping TiO2 NPs with Lanthanides (La, Ce and Eu) on the Adsorption and Photodegradation of Cyanide - A Comparative Study. Nanomaterials. 2023. 13(6): 1068. https://doi.org/10.3390/nano13061068

11. Wang J., Meng F., Xie W., Gao Ch., Zha Yu., Liu D., Wang P. TiO2/CeO2 composite catalysts: synthesis, characterization and mechanism analysis. Appl. Phys. A. 2018. 124: 645. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2027-1

12. Nithya N., Kumar E.R., Magesh G., Arun A.P., Abou-Melha K.S., Badr G., El-Metwaly N.M., Mersal G.A.M., Rahale C.Sh. Evaluation of gas sensor behaviour of Sm3+ doped TiO2 nanoparticles. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2021. 32: 16854. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06246-1

13. Wei L., Yang Y., Xia X., Fan R., Su T., Shi Y., Yu J., Lia L., Jianga Y. Band edge movement in dye sensitized Sm-doped TiO2 solar cells: a study by variable temperature spectroelectrochemistry. RSC Adv. 2015. 5(86): 70512. https://doi.org/10.1039/C5RA15815J

14. Mahmoud Z.H., AL-Bayati R.A., Khadom A.A. The efficacy of samarium loaded titanium dioxide (Sm:TiO2) for enhanced photocatalytic removal of rhodamine B dye in natural sunlight exposure. J. Mol. Struct. 2022. 1253: 132267. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.132267

15. Hodgson G.K., Impellizzeri S., Scaiano J.C. Dye synthesis in the Pechmann reaction: catalytic behaviour of samarium oxide nanoparticles studied using single molecule fluorescence microscopy. Chem. Sci. 2016. 7(2): 1314. https://doi.org/10.1039/C5SC03214H

16. Lavrynenko O.M., Pavlenko O.Y., Zahornyi M.M., Paineau E. Structure and Properties of Visible-Light Active Binary TiO2&Au Nanocomposites. In: IEEE 13th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), Bratislava, Slovakia. 2023. P. NEE05-1-NEE05-4. https://doi.org/10.1109/NAP59739.2023.10310742

17. Lavrynenko O., Zahornyi M., Paineau E., Vember V. Photocatalytic activity of anatase doped with gold in the destruction of organic dyes. In: XXIII International Science Conference "Ecology. Human. Society" 07 December, Kyiv. 2023. P. 143.

18. Lavrynenko O.M., Zahornyi M.M., Pavlenko O.Y., Hotton C., Bodin J., Quach V.-D., Ghazzal M.N., Paineau E. Structural Properties and Photocatalytic Activity of TiO2/Au Nanocomposites Synthesized with Glucose. Part. Part. Syst. Char. 2024. 41(9): 2400028. https://doi.org/10.1002/ppsc.202400028

19. Gao J., Zhao Y., Yang W., Tian J., Guan F., Ma Y., Hou J., Kang J., Wang Y. Preparation of samarium oxide nanoparticles and its catalytic activity on the esterification. Mater. Chem. Phys. 2002. 77(1): 65. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(01)00594-6

20. Stevanovic A., Ma S., John T., Yates Jr. Effect of Gold Nanoparticles on Photoexcited Charge Carriers in Powdered TiO2−Long Range Quenching of Photoluminescence. J. Phys. Chem. 2014. 118(36): 21275. https://doi.org/10.1021/jp507156p




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.141

Copyright (©) 2025 O. M. Lavrynenko, M. M. Zahornyi, E. Paineau

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.