CC BY
8
УДК 546.723-31:544.526 Кагане Д.Д., Шарапаев А.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА (III), ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ В ОПАЛОПОДОБНЫХ МАТРИЦАХ Кагане Дениза Денисовна - магистрант 1-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологий; d.kagane@yandex.ru.
Шарапаев Александр Игоревич - старший преподаватель кафедры наноматериалов и нанотехнологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрено получение e-Fe2O3 разложением нитрата железа (III) в пустотах опалоподобных матриц диоксида кремния и исследование фотокаталитической активности таких наночастиц. Исследована структура нанопорошков, ширина запрещенной зоны и влияние параметров термообработки на однородность поверхности образцов. Установлено, что фотокаталитическая активность наночастиц Fe2O3 зависит от размера частиц матрицы, в которой производится их получение. Наибольшей активностью к фоторазложению органических красителей при облучении светом обладают частицы, полученные в матрицах с размером частиц SiO2 80 нм.
Ключевые слова: оксиды железа, диоксид кремния, фотокаталитизатор, фотодеградация красителя.
STUDY OF THE PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF IRON (III) OXIDE NANOPARTICLES PRODUCED BY SYNTHESIS IN OPAL-LIKE MATRICES
Kagane D.D., Sharapaev A.I.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
The article discusses synthesis of e-Fe2O3 nanopowders by decomposition of iron (III) nitrate in voids of opal-like silica matrices and study of photocatalytic activity of such nanopowders. The structure of nanopowders, their band gap and surface homogenity were studied. It was revealed, that photocatalytic activity depends on the size of silica particles in opal-like matrix used for sample preparation. Particles obrained in matrices with a SiO2 particle size of 80 nm have the highest photodegradation activity of organic dyes upon irradiation with light. Key words: iron oxides, silica, photocatalyst, dye photodegradation.
Введение
Фотокатализ — это ускорение скорости химической реакции за счет активации катализатора при освещении в области ультрафиолетового или видимого спектра. Он рассматривается в качестве альтернативного метода, который можно использовать для получения энергии без использования невозобновляемых ресурсов, а также для очистки и обеззараживания сред [1].
Многие материалы демонстрируют высокую фотокаталитическую активность в присутствии света. Однако применение этих материалов ограничено ультрафиолетовым излучением. Наночастицы Fe2Oз имеют преимущество перед другими традиционными материалами в использовании для фотокатализа из-за более низкой ширины запрещенной зоны этого материала. В результате наночастицы Fe2Oз способы поглощать большую часть видимого солнечного спектра. Другими преимуществами являются химическая стабильность в водной среде, низкая стоимость, распространенность и малая токсичность. Все эти достоинства делают наночастицы Fe2Oз многообещающим вариантом для применения в области фотокатализа [2,3]. Активность наночастиц Бе203 существенно зависит от их структуры. Одним из способов получения наночастиц Fe20з, позволяющим достаточно точно контролировать их микроструктуру является темплатный синтез в пустотах опалоподобных матриц на основе БЮ2 [4].
Экспериментальная часть
Наночастицы Fe2O3 получали темплатным методом, путем пропитки матриц из наночастиц SiO2 разного размера и последующего прокаливания в при температуре 800 - 1000 °C в течение 3 часов.
Для проверки фотокаталитической активности порошков Fe2O3 раствор Родамина Б объемом 30 мл с заданной концентрацией помещали в емкость с поддерживаемой постоянной температурой и подвергали облучению источником света, предварительно добавив в раствор наночастицы Fe2O3. В течение 60 минут с интервалом в 20 минут производили отбор раствора, который далее центрифугировали для получения спектра поглощения без лишних помех. Спектры поглощения образцов снимали с использованием спектрофотометра Varian Cary 50. По получаемым спектрам наблюдалось разложение красителя в точке максимума пика, характеризующего присутствие Родамина Б (554 нм) [5]. Для сравнения скоростей разложения использовалась формула (1):
С/Со (%) = — X 100, (1)
где Ao — абсорбция Родамина Б в точке пика до реакции,
A — абсорбция Родамина Б в точке пика в данный момент времени, C/Co — отношение текущей концентрации Родамина Б к начальной
Для исключения влияния адсорбционных явлений, не требующих освещения, для этих образцов также проводились опыты без излучения.
Синтез наночастиц Fe2O3 на поверхности подложек проводили в несколько стадий. В 10 мл раствора SiO2 при перемешивании по каплям добавлялось 40 мкл концентрированной HCl для доведения рН до 1. В полученный раствор добавлялось 600 мкл Fe(NO3)3 при перемешивании. На поверхность подложки наносили каплю итоговой смеси. Подложка высыхала в течение нескольких часов в атмосфере воздуха, а затем в печи в течение часа в атмосфере воздуха при температуре 200 °С. Высохшая подложка помещалась в муфельную печь при комнатной температуре, после чего печь нагревалась до температуры 800-1000 °C, и выдерживалась в течение 3 часов при заданной температуре.
Для исследования поверхности наночастиц использовался оптический микроскоп Carl Zeiss Jena. Далее при помощи программы строились гистограммы яркости по микрофотографиям и вычислялись параметры, описывающие
однородность получаемой поверхности. Результаты и обсуждение
В ходе исследования ширины запрещенной зоны наночастиц оксида железа (III) получено значение 2,96 эВ (рис. 1а).
Изображение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) наночастиц оксида железа (III) представлено на рис. 16.
По результатам вычислений по формуле (1) были построены графики сравнения скорости разложения различных образцов (рис. 2).
1»
3
ш
и
а 7
J Ев=2,96з6
Z.0
Z.S Э.О hv (эВ)
3.5
4.5
Рис. 1 График Тауца (а) и ПЭМ-изображение наночастиц оксида железа (III), полученных в опалоподобной
матрице
а)
С 40 а»
<5
б)
с 40 о
б
1Эбны 80 им
В)
• 'Жни
* 80 мм
Время(мин} Время{мин} Бремя(мин)
Рис. 2 Разложение Родамина Б: а — на свету; б — в темноте; в — на свету, частицы предварительно
диспергированы
Отрезок кривой разложения 0-20 минут соответствует процессу адсорбции между дисперсной фазой и средой, после чего начинается разложение красителя. Видно, что образцы с размерами частиц SiO2 136 и 80 нм обладают фотокаталитической активностью, поэтому использование наночастиц SiO2 в диапазоне этих размеров наиболее перспективно.
При диспергировании частиц наблюдается исчезновение способности к активному фоторазложению красителя, что связано с изменением, нарушением структуры их агрегатов. Это означает, что получаемая структура образцов, получаемых данным методом, играет важную роль в проявлении фотокаталитической активности.
Нанесение SiO2 и Fe(NOз)з в виде смеси актуально, так как при поэтапном нанесении вначале частиц SiO2 и далее пропитки Fe(NOз)з наночастицы SiO2 могут выступать в роли слоя диэлектрика.
При рассмотрении получаемых поверхностей при помощи микроскопа заметна разнообразность получаемых структур в зависимости от условий синтеза (рис. 3).
Однородность получаемых структур была оценена путем анализа среднеквадратичного отклонения яркости пикселей микроизображений. Значения параметров однородности получаемых структур Fe2Oз представлены в таблице 1.
pax > V
Рис. 3 Микрофотографии структур Ев20з в зависимости от условий (температура синтеза и концентрация Ев(Ы0з)з, соответственно): а - 1000 °С, 0,5 М; б - 1000 °С, 1М; в - 900 °С, 0,5М; г - 900 °С, 1М; д - 800 °С,
0,5 М; е - 800 °С, 1М
_Таблица 1. Оценка гистограмм яркости структур Ев2О3
Температура прокаливания, °C Среднеквадратичное отклонение по гистограмме яркости при концентрации Ре20з, равной 0,5 М, пиксель Среднеквадратичное отклонение по гистограмме яркости при концентрации Ре20з, равной 1 М, пиксель
1000 55 56
900 65 зз
800 68 48
Из таблицы видно, что наиболее однородной по данным микроскопии является поверхность, получаемая при температуре обжига 900 °С и концентрации Ре(К0з)з 1 М. Таким образом оптимальными условиями с точки зрения однородности структур являются температура прокаливания 900 °С и концентрация раствора Ре(Шз)з 1 М.
Заключение
Наночастицы Ре20з, получаемые при синтезе в опалоподобных матрицах с размером частиц БЮ2, равным 80-140 нм, проявляют способность к фоторазложению органических красителей при облучении светом. Наибольшая активность наблюдается при размере частиц матрицы равном 80 нм. Структура получаемых образцов влияет на фотокаталитическую активность. Оптимальными с точки зрения однородности структуры параметрами получения являются температура прокаливания 900 °С и концентрация раствора Ре(Ы0з)з 1 М.
Полученные результаты являются
перспективными для дальнейшей разработки наноструктурированных фотокаталитических
материалов, в том числе иммобилизированных на подложках.
Список литературы
PHariganesh S. et al. Disinfection by-products in drinking water: detection and treatment methods // Disinfection By-products in Drinking Water. 2020. P. 279-304.
2.Hitam C.N.C., Jalil A.A. A review on exploration of Fe2Ü3 photocatalyst towards degradation of dyes and organic contaminants // Journal of Environmental Management. 2020. Vol. 258.
3.Mishra M., Chun D.M. a-Fe2Ü3 as a photocatalytic material: A review // Applied Catalysis A: General. 2015. Vol. 498. P. 126-141.
4. Sharapaev A.I. et. al Template synthesis of e-Fe2Ü3 nanoparticles in opal-like matrices // Mendeleev Communications. 2022. Vol. 32. P. 323-326.
5.Nathan V.K., Ammini P., Vijayan J. Photocatalytic degradation of synthetic dyes using iron (III) oxide nanoparticles (Fe2Ü3 -Nps) synthesised using Rhizophora mucronata Lam // IET Nanobiotechnology. 2019. Vol. 13, № 2. P. 120-123.
