Композитные магнитовосприимчивые фотокатализаторы на основе оксидов Fe3O4/SiO2/TiO2

Композитные магнитовосприимчивые фотокатализаторы на основе оксидов Fe3O4/SiO2/TiO2

Автор: Горшков Александр Андреевич, Авдин Вячеслав Викторович, Жеребцов Дмитрий Анатольевич, Морозов Роман Сергеевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry

Рубрика: Физическая химия

Статья в выпуске: 1 т.15, 2023 года.

Бесплатный доступ

В работе изучены композитные материалы на основе оксидов Fe3O4/SiO2/TiO2 , синтезированные золь-гель методом. На первой стадии наночастицы магнетита осаждали гидроксидом натрия из смеси водных растворов сульфатов железа(II) и (III) при непрерывном воздействии ультразвука, после чего отмывали дистиллированной водой и сушили под вакуумом. На второй стадии полученные частицы магнетита покрывали оксидом кремния по методу Штобера путём диспергирования их при воздействии ультразвука в растворе тетраэтоксисилана в н-пропаноле с последующим гидролизом тетраэтоксисилана в присутствии водного раствора аммиака, отмывкой и сушкой под вакуумом полученных материалов. На третьей стадии в композит вводили фотокаталитически активные частицы на основе оксида титана методом замены растворителя путём диспергирования образцов в водном растворе пероксотитановой кислоты и добавления н-пропанола при интенсивном перемешивании с последующей активацией кипячением в смеси вода/этанол 1:1, отмывкой и сушкой под вакуумом. Изучено влияние на свойства образцов цитратной стабилизации и разделения частиц магнетита на стадии их синтеза на «лёгкую» и «тяжёлую» магнитные фракции, а также прокаливания образцов при температуре 450 °С. Исследованы фотокаталитические свойства синтезированных образцов в процессе фотодеструкции метилового оранжевого, а также их магнитная извлекаемость из суспензии. Выполнена физико-химическая характеризация образцов на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции, термического анализа (ТГ-ДСК), совмещённого с масс-спектрометрией газообразных продуктов термолиза. Обнаружено, что композиты на основе смешанного оксида титана-кремния имеют более высокую фотокаталитическую активность, чем получаемые по аналогичной методике композиты на основе чистого диоксида титана. Полученные фотокатализаторы можно использовать для очистки воды от красителей с последующим извлечением при помощи магнита.

Еще

Диоксид титана, анатаз, диоксид кремния, композитные фотокатализаторы, фотокаталитическая активность, фотокаталитические тесты, деструкция метилового оранжевого

Короткий адрес: https://sciup.org/147239542

IDR: 147239542   |   DOI: 10.14529/chem230113

Список литературы Композитные магнитовосприимчивые фотокатализаторы на основе оксидов Fe3O4/SiO2/TiO2

  • Lelieveld J., Evans J.S., Fnais M., Giannadaki D., Pozzer A. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale. Nature. 2015;525:367-371. DOI: 10.1038/nature15371.
  • ZMiga-Benitez H., Sanchez-Monsalve R., Penuela G.A. Benzophenone-3 removal using heterogeneous photocatalysis at pilot scale. Water Air Soil. Pollut. 2018;229:332. DOI: 10.1007/s11270-018-3960-5.
  • Mamaghani A.H., Haghighat F., Lee C.-S. Photocatalytic oxidation technology for indoor environment air purification: The state-of-the-art. Appl. Catal. B Environ. 2017;203:247-269.
  • Fujishima A., Rao T.N., Tryk D.A. Titanium dioxide photocatalysis. Journal of Photochemistry andPhotobiology C: Photochemistry Reviews. 2000; 1:1-21.
  • Lee H.-G., Sai-Anand G., Komathi S., Gopalan A.-I., Kang S.W. and Lee K.P. Efficient visible-light-driven photocatalytic degradation of nitrophenol by using graphene-encapsulated TiO2 nanowires. J. Hazard. Mater. 2015;283:400-409. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.09.014.
  • Lee J.-C., Gopalan A.-I., Saianand G., Lee K.-P. Manganese and graphene included titanium dioxide composite nanowires: fabrication, charerization and enhanced photocatalytic ivities. Nanomate-rials. 2020;10:456. DOI: 10.3390/nano10030456.
  • Haider A.J., Jameel Z.N., Al-Hussaini I.H.M. Review on: titanium dioxide applications. Energy Procedia. 2019;157:17-29. DOI: 10.1016/j.egypro.2018.11.159._
  • Sirirerkratana K., Kemacheevakul P., Chuangchote S. Color removal from wastewater by photocatalytic process using titanium dioxide-coated glass, ceramic tile, and stainless steel sheets. J. Clean. Prod. 2019;215:123-130. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.01.037.
  • Mahmoud W., Rastogi T., Kümmerer K. Application of titanium dioxide nanoparticles as a pho-tocatalyst for the removal of micropollutants such as pharmaceuticals from water. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2017;6:1-10. DOI: 10.1016/j.cogsc.2017.04.001
  • You J., Guo Y., Guo R., Liu X. A review of visible light-ive photocatalysts for water disinfection: features and prospects. Chem. Eng. J. 2019;373:624-641. DOI: 10.1016/j.cej.2019.05.071.
  • Debnath D., Gupta A.K., Ghosal P.S. Recent advances in the development of tailored functional materials for the treatment of pesticides in aqueous media: a review. J. Ind. Eng. Chem. 2019;70:51-69. DOI: 10.1016/j .jiec.2018.10.014.
  • Du Z., Cheng C., Tan L. et al. Enhanced photocatalytic ivity of Bi2WO6/TiO2 composite coated polyester fabric under visible light irradiation. Appl. Surf. Sci. 2018;435:626-634. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.11.136.
  • Hakki H.K., Allahyari S., Rahemi N., Tasbihi M. Surface properties, adherence, and photocatalytic ivity of sol-gel dip-coated TiO2- ZnO films on glass plates. Comptes. Rendus. Chim. 2019;22:393-405. DOI: 10.1016/j.crci.2019.05.007
  • Song X.M., Wu J.M., Yan M. Photocatalytic degradation of selected dyes by titania thin films with various nanostructures. Thin Solid Films. 2009. V. 517. P. 4341-4347. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.02.132.
  • Li C.J., Wang J.N., Wang B., Gong J.R., Lin Z. A novel magnetically separable TiO2/CoFe2O4 nanofiber with high photocatalytic ivity under UV-vis light. Mater. Res. Bull. 2012;47:333-337. DOI: 10.1016/j.materresbull.2011.11.012.
  • Li Y., Zhang M., Guo M., Wang X. Preparation and properties of a nano TiO2/Fe3O4 composite superparamagnetic photocatalyst. Rare Met. 2009;28:423-427. DOI: 10.1007/s12598-009-0082-7.
  • Galbavy E.S., Ram K., Anastasio C. 2-Nitrobenzaldehyde as a chemical actinometer for solution and ice photochemis-try. J. Photochem. Photobiol. 2010;209:186-192. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2009.11.013.
  • Willett K.L., Hites R.A. Chemical actinometry: using o-nitrobenzaldehyde to measure lamp intensity in photochemical experiments. Journal of Chemical Education. 2000;77(7):900. DOI: 10.1021/ed077p900.
  • Kuwakara Y., Miyazaki T., Shirosaki Y., Kawashita M. Effects of organic polymer addition in magnetite synthesis on the crystalline structure. RSC Adv. 2014;4:23359-23363. DOI: 10.1039/C4RA02073A.
  • Brazovskaya E.Yu. Razrabotka magnitovospriimchivykh sorbentov na osnove tseolita beta dlya resheniya zadach meditsiny i ekologii. Diss. kand. khim. nauk. [Development of magnetically responsive sorbents based on beta zeolite for solving medical and environmental problems. Cand. sci. dis.] St. Petersburg, 2020. 137 p.
  • Stöber W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. Journal of Colloid and Interface Science. 1968;26(1):62-69.
  • Deng, Yo., Qi D., Deng C., Zhang Xi., Zhao D. Superparamagnetic high-magnetization microspheres with an Fe3O4@SiO2 core and perpendicularly aligned mesoporous SiO2 shell for removal of microcystins. Journal of the American Chemical Society. 2008;130(1):28-29. DOI: 10.1021/ja0777584.
  • Zaytseva M.P., Muradova A.G., Yurtov E.V. Investigation of the effect of the teos quantity of the structure Fe3O4@SiO2 formation. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology. 2017;13(194):8-9 (In Russ.)].
  • Morozov R., Krivtsov I., Avdin V., Amghouz Z., Gorshkov A., Pushkova E., Bol'shakov O., Bulanova A., Ilkaeva M. Microporous composite SiO2-TiO2 spheres prepared via the peroxo route: Lead(II) removal in aqueous media. Journal of Non-Crystalline Solids. 2018;497:71-81. DOI: 10.1016/j .jnoncrysol.2017.11.031.
  • Larson I., Drummond C.J., Chan D.Y.C., Grieser F. Direct force measurements between titanium dioxide surfaces. Journal of the American Chemical Society. 1993;115(25): 11885-11890. DOI: 10.1021/ja00078a029.
  • Ashraf M.A., Peng W., Zare Y., Rhee K.Y. Effects of size and aggregation/agglomeration of nanoparticles on the interfacial/interphase properties and tensile strength of polymer nanocomposites. Nanoscale Res Lett. 2018;13:214. DOI: 10.1186/s11671-018-2624-0.
  • Carrillo J.M., Raphael E., Dobrynin A.V. Adhesion of nanoparticles. Langmuir. 2010;26(15): 12973-12979. DOI: 10.1021/la101977c.
  • Kibombo H.S., Peng R., Rasalingam S., Koodali R.T. Versatility of heterogeneous photocatalysis: synthetic methodologies epitomizing the role of silica support in TiO2 based mixed oxides. Catalysis Science & Technology. 2012;2:1737-1766. DOI: 10.1039/C2CY20247F.
  • Seriani N., Pinilla C., Cereda S., De Vita A., Scandolo S. Titania-silica interfaces. J. Physical Chemistry C. 2012;116:11062-11067. DOI: 10.1021/jp301584h.
  • Hay J.N., Raval H.M. Synthesis of organic-inorganic hybrids via the non-hydrolytic sol-gel process. Chemistry ofMaterials. 2001;13:3396-3403. DOI: 10.1021/cm011024n.
  • Lafond V., Mutin P.H., Vioux A. Non-hydrolytic sol-gel routes based on alkyl halide elimination: toward better mixed oxide catalysts and new supports: application to the preparation of a SiO2-TiO2 epoxidation catalyst. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2002;182-183:81-88.
  • Kibombo H.S., Zhao D., Gonshorowski A., Budhi S., Koppang M.D., & Koodali R.T. Cosol-vent-induced gelation and the hydrothermal enhancement of the crystallinity of titania-silica mixed oxides for the photocatalytic remediation of organic pollutants. J. Physical Chemistry C. 2011;115:6126-6135. DOI: 10.1021/jp110988j.
  • Compean M., Ruiz F., Martinez J.R., Herrera-Gomez A. Magnetic properties of magnetite nanoparticles synthesized by forced hydrolysis. Mater. Lett. 2008;62(27):4248-4250. DOI: 10.1016/j.matlet.2008.06.053.
  • Praveen P., Viruthagiri G., Mugundan S., Shanmugam N. Structural, optical and morphological analyses of pristine titanium dioxide nanoparticles synthesized via sol-gel route. Spectrochim. Acta, Part A. 2013;117:622-629. DOI: 10.1016/j.saa.2013.09.037.
  • Zelepukin I.V., Shipunova V.O., Mirkasymov A., Nikitin P., Nikitin M.P., Deyev S.M. Synthesis and characterization of hybrid core-shell Fe3O4/SiO2 nanoparticles for biomedical applications. Acta Naturae. 2017;9(4):58-65. DOI: 10.32607/20758251-2017-9-4-58-65.
  • Ene V.L., Neacsu I.A., Oprea O., Surdu V.-A. Single step synthesis of glutamic/tartaric acid-stabilised Fe3O4 nanoparticles for targeted delivery systems. Rev. Chim. 2020;71:230-238. DOI: 10.37358/RC.20.2.7920.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp