Modern Photoactive Nanocomposites Based on TiO2 and CeO2

Abstract

Нині унікальні поверхневі, оптичні та фотокаталітичні властивості наноматеріалів на основі різних оксидних наночастинок знайшли широке застосування в очищенні стічних вод. У ряді сучасних наукових досліджень розглядалися біоактивні каталізатори на основі TiO2, які виявляють окисно-відновну активність при очищенні води. Представлені структури на основі діоксиду титану, що сформовані у присутності срібла та церію з різним ступенем кристалічності, отримані методом хімічного осадження з використанням тетраізопропоксиду титану (ТТІП) як вихідної форми. Результати РФА підтвердили однорідний склад порошків, утворених у бінарних системах (анатаз з кластерами Ag і CeO2) з ОКР в діапазоні 9-20 нм. Bстановлено, що в потрійних системах зі збільшенням вмісту допуючих компонентів, відстань d(101) решітки анатазу зміщена вправо, а ступінь тетрагональності зростає до 2,52. Результати комбінаційного розсіювання показали, що найбільш інтенсивна смуга моди Eg для легованих зразків TiO2 була зміщена від 144 до 152 см – 1 порівняно з анатазом залежно від концентрації благородного металу. Особливості взаємодії срібла-церію та срібла-титану пов’язані з розмірними ефектами як Ag, так і CeO2 частинок, концентраціями кисневих вакансій у структурі діоксиду церію та можливими окисно-відновними властивостями через взаємодію між парою Ag+/Ag0 та Ce3 +/Ce4 + (PL) і бар’єром Шотткі між металом й TiO2, причому фотозбуджені електрони в напівпровіднику захоплюються наночастинками Ag. Показано, що потрійнa композитна система TiO2 & CeO2 & Ag (2 мас. %) має покращену фотокаталітичну активність внаслідок включення CeO2 до кристалічної ґратки анатазу, що підтверджується збільшенням ступеня тетрагональності ґратки та запобігання окисленню кластерів срібла на поверхні анатазу під дією УФ-опромінення. Ці фотокаталізатори стануть перспективою для технології синтезу водню.

The unique surface, optical and photocatalytic properties of nanomaterials based on various oxide nanoparticles have found wide application in wastewater treatment. In a number of modern scientific studies, bioactive catalysts based on TiO2, which exhibit redox activity in water purification, were considered. The presented structures based on titanium dioxide, formed in binary and ternary systems in the presence of silver and cerium with a different degree of crystallinity were obtained by the chemical precipitation method using titanium tetraisopropoxide (TTIP) as a precursor species. XRD data confirmed a homogeneous composition of powders formed in binary systems (anatase with clusters of Ag and CeO2) with CSR in the range of 9-20 nm. It was stated that in ternary systems, with an increase in the content of doping components, d spacing (101) of anatase's lattice shifted to the right, and the degree of tetragonality increased to 2.53. Raman results showed that the most intense band of Eg mode for doped samples TiO2 was shifted from 144 to 152 cm – 1 compared to anatase dependence on the noble metal concentration. The features of the silver-ceria and silver – titania interactions are connected with the size effects of both Ag and CeO2 particles, concentrations of oxygen vacancies in the ceria structure, and possible redox properties due to the interplay between Ag+/Ag0 and Ce3+/Ce4+ pair (PL) and a Schottky barrier between the metal and TiO2 and photoexcited electrons in the semiconductor are trapped by Ag nanoparticles. It was shown that the ternary composite TiO2 & CeO2 & Ag (2 wt. %) has improved photocatalytic activity due to the inclusion of CeO2 in the crystal lattice of anatase, which is confirmed by an increase in the degree of tetragonality of the lattice and prevention of oxidation of silver clusters on the surface of anatase under the influence of UV irradiation. These photocatalysts will be a perspective to the hydrogen synthesis technology.