Фотоиндуцированная супергидрофильность диоксида титана: влияние гетеровалентного допирования металлами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Эффект самоочищения покрытий на основе диоксида титана основан на фотокаталитической окислительной способности и эффекте фотоиндуцированной супергидрофильности. Допирование металлами используют для повышения фотокаталитической активности, в то время как его влияние на гидрофильность поверхности практически не изучено. В связи с этим в работе было детально исследовано влияние гетеровалентного допирования диоксида титана фазы анатаз на его гидрофильные свойства. Тонкие пленки x-M-TiO2, где М – Nb5+, Sc3+, Al3+, с концентрацией допанта в диапазоне 0.0–1.0 ат. %, были получены на стеклянных подложках из растворов соответствующих золей методом макания. Фазовый состав, содержание допанта на поверхности, микронапряжение решетки, кислотность поверхности и значения работы выхода электрона были определены и проанализированы для трех серий допированных образцов в зависимости от концентрации примеси. Гидрофильность поверхности нанопокрытий x-M-TiO2 оценивали с помощью значений контактных углов воды и свободной поверхностной энергии. Показано, что допирование ионами ниобия изменяет смачиваемость диоксида титана, в то время как его гидрофильное состояние не изменяется при допировании скандием и алюминием. Установлено, что появление ионов ниобия в анатазе приводит к резкому увеличению гидрофильности поверхности с одновременным изменением кислотности и работы выхода, однако с увеличением содержания Nb электронный фактор становится доминирующим. Полученные кинетические зависимости фотоиндуцированного контактного угла воды показали увеличение гидрофильности поверхности всех исследуемых покрытий независимо от типа допанта в пределах исследуемых концентраций, что демонстрирует их способность к самоочищению. Вместе с этим конечное УФ-индуцированное гидрофильное состояние зависит от типа допанта. Максимальная гидрофильность поверхности достигается при УФ-облучении Nb-допированных TiO2 независимо от его содержания, Al-допированная серия покрытий демонстрирует малые контактные углы, а фотоиндуцированная гидрофильность поверхностей Sc-допированных пленок диоксида титана уменьшается с увеличением содержания скандия.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Рудакова

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: aida.rudakova@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

К. М. Буланин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: aida.rudakova@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Banerjee S., Dionysiou D.D., Pillai S.C. Self-cleaning applications of TiO2 by photo-induced hydrophilicity and photocatalysis // Applied Catalysis B. 2015. V. 176–177. P. 396–428. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.058
  2. Samal S.K., Mohanty S., Nayak S.K. Superhydrophobic polymer coatings. Amsterdam: Elsevier. 2019. https://doi.org/10.1016/C2018-0-00746-X
  3. Рудакова А.В., Емелин А.В. Фотоиндуцированное изменение гидрофильности поверхности тонких пленок // Коллоид. журн. 2021. T. 83. № 1. С. 3–34. https://doi.org/10.31857/S0023291221010109
  4. Fujishima A., Zhang X., Tryk D.A. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena // Surface Science Reports. 2008. V. 63. № 12. P. 515–582. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2008.10.001
  5. Serpone N., Emeline A.V. Semiconductor photocatalysis – past, present, and future outlook // Journal of Physical Chemistry Letters. 2012. V. 3. P. 673–677. https://doi.org/10.1021/jz300071j
  6. Serpone N., Emeline A.V., Kuznetsov V.N., Ryabchuk V.K. Second generation visible-light-active photocatalysts: Preparation, optical properties, and consequences of dopants on the band gap energy of TiO2 // Environmentally benign photocatalysts. New York: Springer New York. 2010. P. 35–111. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48444-0_3
  7. Serpone N. Is the band gap of pristine TiO2 narrowed by anion- and cation-doping of titanium dioxide in second-generation photocatalysts? // Journal of Physical Chemistry B. 2006. V. 110. P. 24287–24293. https://doi.org/10.1021/jp065659r
  8. Wolkenstein Th. The Electronic Theory of Catalysis on Semiconductors, 1st ed. Oxford: Pergamon Press. 1963.
  9. Wolkenstein Th. The electronic theory of photocatalytic reactions on semiconductors // Advanced Catalysis. 1973. V. 23. P. 157–208. https://doi.org/10.1016/S0360-0564(08)60301-6
  10. Bloh J.Z., Dillert R., Bahnemann D.W. Designing optimal metal-doped photocatalysts: Correlation between photocatalytic activity, doping ratio, and particle size // Journal of Physical Chemistry C. 2012. V. 116. P. 25558−25562. https://doi.org/10.1021/jp307313z
  11. Khlyustova A., Sirotkin N., Kusova T. et al. Doped TiO2: the effect of doping elements on photocatalytic activity // Materials Advances. 2020. V. 1. P. 1193−1201. https://doi.org/10.1039/d0ma00171f
  12. Sultana M., Mondal A., Islam S. et al. Strategic development of metal doped TiO2 photocatalysts for enhanced dye degradation activity under UV–Vis irradiation: A review // Current Research in Green and Sustainable Chemistry. 2023. V. 7. 100383. https://doi.org/10.1016/j.crgsc.2023.100383
  13. Yu J., Zhou M., Yu H. et al. Enhanced photoinduced super-hydrophilicity of the sol–gel-derived TiO2 thin films by Fe-doping // Materials Science Communications. 2006. V. 95. P. 193–196. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.09.021
  14. Mardare D., Iacomi F., Luca D. Substrate and Fe-doping effects on the hydrophilic properties of TiO2 thin films // Thin Solid Films. 2007. V. 515. P. 6474–6478. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.11.068
  15. Wei H., Feng J., Ma C. et al. Effect of iron doping on the hydrophobicity of titanium dioxide film: experiment and simulation // Molecular Physics. 2019. P. 1–9. https://doi.org/10.1080/00268976.2019.1696477
  16. Weng K.-W., Huang Y.-P. Preparation of TiO2 thin films on glass surfaces with self-cleaning characteristics for solar concentrators // Surface and Coatings Technology. 2013. V. 231. P. 201–204. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.06.058
  17. Zhang X., Yang H., Tang A. Optical, electrochemical and hydrophilic properties of Y2O3 doped TiO2 nanocomposite films // Journal of Physical Chemistry B. 2008. V. 112. P. 16271–16279. https://doi.org/10.1021/jp806820p
  18. Eshaghi A., Eshaghi A. Preparation and hydrophilicity of TiO2 sol–gel derived nanocomposite films modified with copper loaded TiO2 nanoparticles // Materials Research Bulletin. 2011. V. 46. P. 2342–2345. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.08.035
  19. Liu Z., Wang Y., Peng X. et al. Photoinduced superhydrophilicity of TiO2 thin film with hierarchical Cu doping // Science and Technology of Advanced Materials. 2012. V. 13. 025001. https://doi.org/10.1088/1468-6996/13/2/025001
  20. Nakamura M., Aoki T., Hatanaka Y. Hydrophilic characteristics of rf-sputtered amorphous TiO2 film // Vacuum. 2000. V. 59. P. 506–513. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(00)00309-2
  21. Mardare D., Yildiz A., Girtan M. et al. Surface wettability of titania thin films with increasing Nb content // Journal of Applied Physics. 2012. V. 112. 073502. https://doi.org/10.1063/1.4757007
  22. Adomnitei C., Tascu S., Luca D. et al. Nb-doped TiO2 thin films as photocatalytic materials. Bull. Mater. Sci., 2015, 38, P. 1259–1262. https://doi.org/10.1007/s12034-015-1008-7
  23. da Silva A. L., Dondi M., Hotza D. Self-cleaning ceramic tiles coated with Nb2O5-doped-TiO2 nanoparticles // Ceramics International. 2017. V. 43. P. 11986–11991. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.06.049
  24. Yang X., Min Y., Li S. et al. Conductive Nb-doped TiO2 thin films with whole visible absorption to degrade pollutants // Catalysis Science and Technology. 2018. V. 8. P. 1357–1365. https://doi.org/10.1039/c7cy02614e
  25. Murashkina A.A., Murzin P.D., Rudakova A.V. et al. Influence of the dopant concentration on the photocatalytic activity: Al-doped TiO2 // Journal of Physical Chemistry C. 2015. V. 119. P. 24695–24703. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b06252
  26. Murashkina A.A., Rudakova A.V., Ryabchuk V.K. et al. Influence of the dopant concentration on the photoelectrochemical behavior of Al-doped TiO2 // Journal of Physical Chemistry C. 2018. V. 122. P. 7975–7981. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b12840
  27. Murzin P.D., Murashkina A.A., Emeline A.V. et al. Effect of Sc3+/V5+ co-doping on photocatalytic activity of TiO2 // Topics in Catalisys. 2021. V. 64. P. 817–823. https://doi.org/10.1007/s11244-020-01292-1
  28. Murzin P.D., Rudakova A.V., Emeline A.V. et al. Effect of the heterovalent doping of TiO2 with Sc3+ and Nb5+ on the defect distribution and photocatalytic activity // Catalysts. 2022. V. 12. 484. https://doi.org/10.3390/catal12050484
  29. Shaitanov L., Murashkina A., Rudakova A. et al. UV-induced formation of color centers in dispersed TiO2 particles: Effect of thermal treatment, metal (Al) doping, and adsorption of molecules // Journal of Photochemistry and Photobiology A. 2018. V. 354. P. 33–46. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2017.07.038
  30. Siliavka E.S., Rudakova A.V., Bakiev T.V. et al. Effect of the heterovalent Sc3+ and Nb5+ doping on photoelectrochemical behavior of anatase TiO2 // Catalysts. 2024. V. 14. 76. https://doi.org/10.3390/catal14010076
  31. Emeline A.V., Rudakova A.V., Sakai M. et al. Factors affecting UV-induced superhydrophilic conversion of a TiO2 surface // Journal of Physical Chemistry C. 2013. V. 117. P. 12086–12092. https://doi.org/10.1021/jp400421v
  32. Gesenhues U. Doping of TiO2 pigments by Al3+ // Solid State Ionics. 1997. V. 101-103. P. 1171–1180. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00443-8
  33. Taylor M.L., Morris G.E., Smart R.S.C. Influence of aluminum doping on titania pigment structural and dispersion properties // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. V. 262. P. 81–88. https://doi.org/10.1016/S0021-9797(03)00212-1
  34. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallographica. 1976. V. 32. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/s0567739476001551
  35. Furubayashi Y., Hitosugi T., Yamamoto Y. et al. A transparent metal: Nb-doped anatase TiO2 // Applied Physics Letters. 2005. V. 86. 252101. https://doi.org/10.1063/1.1949728
  36. Singh S., Sharma V., Sachdev K. Investigation of effect of doping concentration in Nb-doped TiO2 thin films for TCO applications // Journal of Materials Science. 2017. V. 52. P. 11580–11591. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1328-7
  37. Lü X., Mou X., Wu J. et al. Improved-performance dye-sensitized solar cells using Nb-doped TiO2 electrodes: Efficient electron injection and transfer // Advanced Functional Materials. 2010. V. 20. P. 509–515. https://doi.org/10.1002/adfm.200901292
  38. Maevskaya M.V., Rudakova A.V., Emeline A.V. et al. Effect of Cu2O substrate on photoinduced hydrophilicity of TiO2 and ZnO nanocoatings // Nanomaterials. 2021. V. 11. 1526. https://doi.org/10.3390/nano11061526
  39. Deshpande R.A., Navne J., Adelmark M.V. et al. Understanding the light induced hydrophilicity of metal-oxide thin films // Nature Communications. 2024. V. 15. 124. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44603-2
  40. Rudakova A.V., Emeline A.V., Romanychev A.I. et al. Photoinduced hydrophilic behavior of TiO2 thin film on Si substrate // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 872. 159746. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159746
  41. Kahn A. Fermi level, work function and vacuum level // Materials Horizons. 2016. V. 3. P. 7−10. https://doi.org/10.1039/c5mh00160a
  42. Shao G. Work function and electron affinity of semiconductors: Doping effect and complication due to Fermi level pinning // Energy and Environmental Materials. 2021. V. 4. P. 273–276. https://doi.org/10.1002/eem2.12218
  43. De Angelis F., Di Valentin C., Fantacci S. et al. Theoretical studies on anatase and less common TiO2 phases: Bulk, surfaces, and nanomaterials // Chemical Reviews. 2014. V. 114. P. 9708−9753. https://doi.org/10.1021/cr500055q
  44. Stashans A., Bermeo S. Al-bound hole polarons in TiO2 // Chemical Physics. 2009. V. 363. P. 100–103. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2009.08.006
  45. Deak P., Aradi B., Frauenheim T. Polaronic effects in TiO2 calculated by the HSE06 hybrid functional: Dopant passivation by carrier self-trapping // Physical Review B. 2011. V. 83. 155207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.155207
  46. Di Valentin C., Pacchioni G., Selloni A. Reduced and n-type doped TiO2: Nature of Ti3+ species // Journal of Physical Chemistry C. 2009. V. 113. P. 20543–20552. https://doi.org/10.1021/jp9061797
  47. Shibata T., Irie H., Hashimoto K. Enhancement of photoinduced highly hydrophilic conversion on TiO2 thin films by introducing tensile stress // Journal of Physical Chemistry B. 2003. V. 107. P. 10696–10698. https://doi.org/10.1021/jp0357830
  48. Alhomoudi I.A., Newaz G. Residual stresses and Raman shift relation in anatase TiO2 thin film // Thin Solid Films. 2009. V. 517. P. 4372–4378. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.02.141

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Демонстрация фотокаталитического действия и фотоиндуцированного супергидрофильного эффекта самоочищающихся покрытий на основе фотоактивных материалов

Скачать (125KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость микронапряжения (е) от концентрации допанта (х) для серий покрытий x-Nb-TiO2 (1), x-Sc-TiO2 (2) и x-Al-TiO2 (3). Символ “звездочка” указывает значение для покрытия недопированного диоксида титана

Скачать (63KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость начального угла смачиваемости поверхности водой (WCA0) от концентрации допанта (х) для серий покрытий x-Nb-TiO2 (1), x-Sc-TiO2 (2) и x-Al-TiO2 (3). Символ “звездочка” указывает значение для покрытия недопированного диоксида титана. Погрешность измерения контактных углов отмечена вертикальными черточками

Скачать (63KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость рН изоэлектрической точки (pHiso) от концентрации допанта (х) для пленок диоксида титана, допированных ниобием (1), скандием (2) и алюминием (3). Символ “звездочка” указывает значение pHiso для покрытия недопированного диоксида титана. Погрешность измерений величины рН отмечена вертикальными черточками

Скачать (64KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость величины работы выхода электрона (WF) от концентрации допанта (х) для образцов диоксида титана, допированных ниобием (1), скандием (2) и алюминием (3). Символ “звездочка” указывает значение для недопированного диоксида титана. Погрешность измерений величины WF отмечена вертикальными черточками

Скачать (68KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кинетические зависимости фотоиндуцированного изменения контактного угла воды (WCA) с поверхностью пленок диоксида титана, допированных ниобием (1), скандием (2) и алюминием (3) с различным содержанием допанта: (а) 0.2 ат. %, (б) 0.4 ат. %, (в) 0.6 ат. %, (г) 0.8 ат. %, (д) 1.0 ат. %. Кинетическая зависимость фотоиндуцированного изменения WCA с поверхностью пленки недопированного диоксида титана (4) представлена для сравнения. Линиями показаны кривые аппроксимации (см. рис. П8–П10 в Приложении). Погрешность измерений WCA отмечена вертикальными черточками

Скачать (329KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости значений контактных углов воды с поверхностью, достигаемых при бесконечно долгом облучении УФ светом, (WCAirr∞) для серий покрытий x-Nb-TiO2 (1), x-Sc-TiO2 (2) и x-Al-TiO2 (3) от содержания допанта. Символ “звездочка” указывает значение для недопированного диоксида титана. Плотность действующего УФ-света равна 0.5 мВт/см2. Значения WCAirr∞ определены из аппроксимации кинетических данных (см. рис. П8–П10 Приложения)

Скачать (60KB)
Метаданные
9. Приложение
Скачать (4MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024