Фотокаталитические свойства пленочных пористых материалов на основе полых микросфер α-Fe2O3

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В работе исследованы фотоэлектрохимические и фотокаталитические свойства пористых материалов на основе полых микросфер α-Fe2O3, характеризующихся наличием оборванных магнитных связей Fe–O–Fe, обусловленных повышенной концентрацией вакансий на границе стенка/закрытая пора. С использованием данного порошка шликерно-обжиговым методом при температуре изотермической выдержки 400°C были получены две серии пленочных образцов, нанесенных на стекло с токопроводящим слоем из суспензий двух составов: водный раствор Fe(NO3)3 + полые микросферы α-Fe2O3 (серия 1) и водный раствор Fe(NO3)3 + полиэтиленгликоль + полые микросферы α‑Fe2O3 (серия 2). Установлено, что пленки серии 2 имеют структуру с пространственно разделенными частицами различной дисперсности: наночастицы α-Fe2O3/полые микросферы α-Fe2O3, а пленки серии 1 преимущественно состоят из полых микросфер, объединенных “шейками”, формирующимися в процессе термической обработки. Толщина пленок серии 2 составляла порядка 2 мкм, а серии 1 – 4 мкм. Структурные различия пленок двух серий оказывают существенное влияние на оптические свойства материала. Пленка серии 2 (3.50 × 105 м–1) имеет примерно в 2 раза больший коэффициент поглощения света в диапазоне длин волн 350–1500 нм в сравнении с пленкой серии 1 (1.75 × 105 м–1). Исследование фотоэлектрохимических свойств в водном растворе 0.1 M KOH показало, что потенциал начала анодной реакции для пленки серии 2 составил 0.87 В vs. Ag/AgCl, а для серии 1 – 0.97 В vs. Ag/AgCl. Для обеих пленок наблюдалось нетипичное увеличение плотности тока при длительном освещении светом при потенциале 1 В vs. Ag/AgCl, вызванное формированием на поверхности фотоанода Fe(IV). Фотокаталитические свойства материалов оценивались по скорости деградации метиленового синего. Константы скорости реакции (k) составили 0.015 и 0.018 мин–1 для пленок серий 1 и 2 соответственно против k для реакции без фотокатализатора 2.8 × 10–4 мин–1.

Об авторах

А. П. Демиров

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

И. В. Блинков

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

Д. С. Белов

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

Н. С. Козлова

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

Е. В. Забелина

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

В. М. Касимова

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

В. Г. Костишин

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Автор, ответственный за переписку.
Email: apdemirov@gmail.com
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1

Список литературы

  1. Wang Y., Torres J.A., Shviro M., Carmo M., He T., Ribeiro C. Photocatalytic Materials Applications for Sustainable Agriculture // Prog. Mater. Sci. 2022. V. 130. P. 100965. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100965
  2. Киселев В.М., Евстропьев С.К., Стародубцев А.М. Фотокаталитическая деградация и сорбция метиленового синего на поверхности оксидов металлов в водном растворе красителя // Опт. спектроскопия. 2017. Т. 123. № 5. С. 798–805. https://doi.org/10.7868/S0030403417090173
  3. Михайлов Д.А., Лелет М.И., Фукина Д.Г., Лелет Ю.Н. Фотокаталитические свойства фосфатов MgHPO4· ·3H2O и MgKPO4·6H2O // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 6. С. 641–650. https://doi.org/10.31857/S0002337X22060069
  4. Cheng X.-M., Zhao J., Sun W.-Y. Facet-Engineering of Materials for Photocatalytic Application: Status and Future Prospects // EnergyChem. 2022. V. 4. № 5. P. 100084. https://doi.org/10.1016/j.enchem.2022.100084
  5. Беликов М.Л., Сафарян С.А. Адсорбционные и фотокаталитические свойства диоксида титана, модифицированного молибденом // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 7. С. 742–749. https://doi.org/10.31857/S0002337X2207003X
  6. Bie Ch., Wang L., Yu J. Challenges for Photocatalytic Overall Water Splitting // Chem. 2022. V. 8. № 6. P. 1567–1574. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.04.013
  7. Wang Q., Tian S., Ning P. Degradation Mechanism of Methylene Blue in a Heterogeneous Fenton-like Reaction Catalyzed by Ferrocene // Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. № 2. P. 643–649. https://doi.org/10.1021/ie403402q
  8. Ameta S.C., Ameta R. Advanced Oxidation Processes for Waste Water Treatment. L.: Academic, 2018. 451 p.
  9. Gopinath M., Marimuthu R. A Review on Solar Energy-based Indirect Water-Splitting Methods for Hydrogen Generation // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 89. P. 37742–37759. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.297
  10. Coronado J.M., Fresno F., Hernández-Alonso M.D., Portela R. Design of Advanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental Applications. L.: Springer, 2013. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-5061-9
  11. Плесков Ю.В. Фотоэлектрохимическое преобразование солнечной энергии М.: Химия, 1990. 176 с.
  12. Moridon S.N.F., Yunus K.A.R.M., Minggu L.J., Kassim M.B. Photocatalytic Water Splitting Performance of TiO2 Sensitized by Metal Chalcogenides: A Review // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 5. P. 5892–5907. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.199
  13. Costa M.B., Araújo M.A., Lima Tinoco M.V., Brito J.F., Mascaro L.H. Current Trending and Beyond for Solar-Driven Water Splitting Reaction on WO3 Photoanodes // J. Energy Chem. 2022. V. 73. P. 88–113. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.06.003
  14. Piccinin S. The Band Structure and Optical Absorption of Hematite (α-Fe2O3): a First-Principles GW-BSE Study // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. № 6. P. 2957–2967. https://doi.org/10.1039/C8CP07132B
  15. Tamirat A.G., Rick J., Dubale A.A., Su W.-N., Hwang B.-J. Using Hematite for Photoelectrochemical Water Splitting: A Review of Current Progress and Challenges // Nanoscale Horiz. 2016. V. 1. № 4. P. 243–267. https://doi.org/10.1039/C5NH00098J
  16. Malviya K.D., Klotz D., Dotan H., Shlenkevich D., Tsyganok A., Mor H., Rothschild A. Influence of Ti Doping Levels on the Photoelectrochemical Properties of Thin-Film Hematite (α-Fe2O3) Photoanodes // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. № 8. P. 4206–4213. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00442
  17. Fernández-Climent R., Giménez S., García-Tecedor M. The Role of Oxygen Vacancies in Water Splitting Photoanodes // Sustain. Energy Fuels. 2020. V. 4. № 12. P. 5916–5926. https://doi.org/10.1039/D0SE01305F
  18. Wang Y., Zhang J., Balogun M.-S., Tong Y., Huang Y. Oxygen Vacancy–Based Metal Oxides Photoanodes in Photoelectrochemical Water Splitting // Mater. Today Sustain. 2022. V. 18. P. 100118. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2022.100118
  19. Yang Q., Du J., Li J., Wu Y., Zhou Y., Yang Y., Yang D., He H. Thermodynamic and Kinetic Influence of Oxygen Vacancies on the Solar Water Oxidation Reaction of α-Fe2O3 Photoanodes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 12. P. 11625–11634. https://doi.org/10.1021/acsami.9b21622
  20. Hu J., Zhao X., Chen W., Chen Z. Enhanced Charge Transport and Increased Active Sites on α-Fe2O3 (110) Nanorod Surface Containing Oxygen Vacancies for Improved Solar Water Oxidation Performance // ACS Omega. 2018. V. 3. № 11. P. 14973–14980. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b01195
  21. Zhang Z., Karimata I., Nagashima H., Muto S., Ohara K., Sugimoto K., Tachikawa T. Interfacial Oxygen Vacancies Yielding Long-Lived Holes in Hematite Mesocrystal-Based Photoanodes // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 4832. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12581-z
  22. More P.D., Jadhav P.R., Ghanwat A.A., Dhole I.A., Navale Y.H., Patil V.B. Spray Synthesized Hydrophobic α-Fe2O3 Thin Film Electrodes for Supercapacitor Application // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2017. V. 28. № 23. P. 17839–17848. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7725-5
  23. Liang T., Guo X., Yuan B., Kong S., Huang H., Fu D., Zhang F., Xu J., Li X. Design of Functionalized α-Fe2O3 (III) Films with Long-Term Anti-Wetting Properties // Ceram. Int. 2020. V. 45. № 5. P. 6129–6135. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.077
  24. Zhang Y., Su Y., Wang Y., He J., McPherson G.L., John V.T. Rapid Fabrication of Hollow and Yolk-shell α-Fe2O3 Particles with Applications to Enhanced Photo-Fenton Reactions // RSC Adv. 2017. V. 7. № 62. P. 39049–39056. https://doi.org/10.1039/C7RA06621J
  25. Bokstein B.S., Esin V.A., Rodin A.O., Svetlov I.L. Models for the Porosity Growth and Dissolution in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys // Defect Diffus. Forum. 2010. V. 297-301. P. 187–192. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/DDF.297-301.187' target='_blank'>www.scientific.net/DDF.297-301.187
  26. Lian J., Duan X., Ma J., Peng P., Kim T., Zheng W. Hematite (α-Fe2O3) with Various Morphologies: Ionic Liquid-Assisted Synthesis, Formation Mechanism, and Properties // ACS Nano. 2009. V. 3. № 11. P. 3749–3761. https://doi.org/10.1021/nn900941e
  27. Van der Wood F. Mossbauer Effect in α-Fe2O3 // Phys. Status Solidi. 1966. V. 17. № 1. P. 417–432. https://doi.org/10.1002/pssb.19660170147
  28. Князев Ю.В., Чумаков А.И., Дубровский А.А., Семенов С.В., Якушкин С.С., Кириллов В.Л., Мартьянов О.Н., Балаев Д.А. Мессбауэровские исследования магнитного перехода в наночастицах α-Fe2O3 на синхротронном и радионуклидном источниках // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 110. № 9. С. 514–619. https://doi.org/10.1134/S0370274X19210082
  29. Копкова Е.К., Майоров Д.В., Кондратенко Т.В. Получение и исследование структурно-поверхностных и сорбционных свойств слоистых двойных гидроксидов магния и алюминия, модифицированных полиэтиленгликолем // Сорбционные и хроматографические процессы. 2022. Т. 21. № 6. С. 894–904. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3836
  30. Mitra S., Das S., Mandal K., Chaudhuri S. Synthesis of a α-Fe2O3 Nanocrystal in Its Different Morphological Attributes: Growth Mechanism, Optical and Magnetic Properties // Nanotechnology. 2007. V. 18. № 27. P. 275608. https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/27/275608
  31. Freitas A.L.M., Muche D.N.F., Leite E.R., Souza F.L. Interface Engineering of Nanoceramic Hematite Photoelectrode for Solar Energy Conversion // J. Am. Ceram. Soc. 2020. V. 103. P. 6833– 6846. https://doi.org/10.1111/jace.17390
  32. Zhong D.K., Gamelin D.R. Photoelectrochemical Water Oxidation by Cobalt Catalyst (“Co−Pi”)/α-Fe2O3 Composite Photoanodes: Oxygen Evolution and Resolution of a Kinetic Bottleneck // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 12. P. 4202–4207. https://doi.org/10.1021/ja908730h
  33. Walter M.G., Warren E.L., McKone J.R., Boettcher S.W., Mi Q., Santori E.A., Lewis N.S. Solar Water Splitting Cells // Chem. Rev. 2010. V. 110. № 11. P. 6446–6473. https://doi.org/10.1021/cr1002326
  34. Krysa J., Zlamal M., Kment S., Brunclikova M., Hubicka Z. TiO2 and Fe2O3 Films for Photoelectrochemical Water Splitting // Molecules. 2015. V. 20. P. 1046–1058. https://doi.org/10.3390/molecules20011046
  35. Xiao C., Zhou Z., Li L., Wu S., Li X. Tin Oxygen-Vacancy Co-Doping into Hematite Photoanode for Improved Photoelectrochemical Performances // Nanoscale Res. Lett. 2020. V. 15. № 1. P. 54. https://doi.org/10.1186/s11671-020-3287-1
  36. Kennedy J.H., Frese K.W. Photooxidation of Water at α-Fe2O3 Electrodes // J. Electrochem. Soc. 1978. V. 125. № 5. P. 709.https://doi.org/10.1149/1.2131532
  37. Upul Wijayantha K.G., Saremi-Yarahmadi S., Peter L.M. Kinetics of Oxygen Evolution at α-Fe2O3 Photoanodes: a Study by Photoelectrochemical Impedance Spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. V. 13. № 12. P. 5264–5270.https://doi.org/10.1039/C0CP02408B
  38. Peter L.M., Upul Wijayantha K.G., Tahir A.A. Kinetics of Light-Driven Oxygen Evolution at α-Fe2O3 Electrodes // Faraday Discuss. 2012. V. 155. P. 309–322. https://doi.org/10.1039/C1FD00079A
  39. Braun A., Sivula K., Bora D.K., Zhu J., Zhang L., Grätzel M., Guo J., Constable E.C. Direct Observation of Two Electron Holes in a Hematite Photoanode During Photoelectrochemical Water Splitting // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. № 32. P. 16870–16875. https://doi.org/10.1021/jp304254k
  40. Deng J., Lv X., Zhong J. Photocharged Fe2TiO5/Fe2O3 Photoanode for Enhanced Photoelectrochemical Water Oxidation // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 51. P. 29268–29273. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b08826
  41. Vasiljevic Z.Z., Dojcinovic M.P., Vujancevic J.D., Jankovic-Castvan I., Ognjanovic M., Tadic N.B., Stojadinovic S., Brankovic G.O., Nikolic M.V. Photocatalytic Degradation of Methylene Blue under Natural Sunlight Using Iron Titanate Nanoparticles Prepared by a Modified Sol–Gel Method // R. Soc. Open Sci. 2020. V. 7. № 9. P. 200708. https://doi.org/10.1098/rsos.200708
  42. Ma M., Yang Y., Chen Y., Ma Y., Lyu P., Cui A., Huang W., Zhang Z., Li Y., Si F. Photocatalytic Degradation of MB Dye by the Magnetically Separable 3D Flower-Like Fe3O4/SiO2/MnO2/BiOBr-Bi Photocatalyst // J. Alloys Compd. 2021. V. 861. P. 158256. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158256
  43. Vu X.H., Phuoc L.H., Dien N.D., Pham T.T.H., Thanh L.D. Photocatalytic Degradation of Methylene Blue (MB) over α-Fe2O3 Nanospindles Prepared by a Hydrothermal Route // J. Electron. Mater. 2019. V. 48. № 5. P. 2978–2985. https://doi.org/10.1007/s11664-019-07056-2

© А.П. Демиров, И.В. Блинков, Д.С. Белов, Н.С. Козлова, Е.В. Забелина, В.М. Касимова, В.Г. Костишин, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».