Авторы: ,

Рубрика: Химическая технология и промышленность

Опубликовано в Техника. Технологии. Инженерия №1 (7) январь 2018 г.

Дата публикации: 01.01.2018

Статья просмотрена: 55 раз

Библиографическое описание:

Якушова Н. Д., Пронин И. А. Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего // Техника. Технологии. Инженерия. — 2018. — №1. — С. 46-49. — URL https://moluch.ru/th/8/archive/76/3045/ (дата обращения: 23.05.2018).



В работе исследована фотокаталитическая активность тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего. Пленки были получены с использованием следующих прекурсоров: ацетат цинка, 2-метоксиэтанол, 2-аминоэтанол, ацетат меди, нитрат железа. Выяснено, что введение в оксид цинка небольших количеств меди улучшает фотокаталитическую активность, а введение железа, напротив, ухудшает. Также в работе предложена модель фотодеградации метиленового синего на полученных образцах.

Ключевые слова: золь-гель технология, фотокатализ, оксид цинка, наноструктурированные пленки.

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]. Поэтому разработка и исследование новых материалов, способных преобразовывать солнечное излучение в тепловую, электрическую и химическую энергии, является одним из приоритетов перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике [2]. Особый интерес в этом направлении представляют полупроводниковые материалы, которые из-за способности фотогенерации свободных носителей заряда могут быть использованы для выработки электроэнергии, а также инициирования химических процессов. Поэтому на сегодняшний день наиболее востребованные солнечные энергетические технологии — это изготовление солнечных батарей и фотокатализаторов. Однако несмотря на усилия и заметные успехи в этих направлениях, возможности технической реализации сдерживаются недостаточной изученностью особенностей процессов, протекающих в структурах и, как следствие, низких значений коэффициента поглощения и квантовой эффективности при преобразовании солнечной энергии [3].

Использование фотокатализаторов для очистки сточных вод предприятий, фотолиза воды, синтеза органического топлива в настоящее время является реальной перспективой, уже вышедшей на уровень пилотных и опытных установок. Несмотря на это, эффективность фотокатализаторов все еще оставляет желать лучшего, и поэтому имеют большую актуальность исследования, направленные на разработку инновационных подходов к синтезу материалов с использованием новых эффектов, позволяющих увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в фотокаталитических процессах [4, 5].

В настоящее время все подходы по улучшению «светособирающих» свойств полупроводниковых фотокатализаторов можно разделить на две группы: расширение области спектра оптического отклика полупроводника и усиление взаимодействия потока света с полупроводником [6]. В настоящей работе проведено исследование влияния целенаправленного легирования оксида цинка катионами металлов (Cu и Fe) на фотокаталитические свойства в модельной реакции окисления метиленового синего.

В качестве прекурсоров для синтеза пленкообразующих золей использовались следующие реагенты: дигидрат ацетата цинка (CH3COO)2Zn·2H2O, 2-метоксиэтанол CH3OCH2CH2OH, 2-аминоэтанол HOCH2CH2NH2, нонагидрат нитрата железа Fe(NO3)3·9H2O, моногидрат ацетата меди (CH3COO)2Cu·H2O — производство Sigma-Aldrich®, США. В качестве подложек было использовано предметное стекло.

Для получения пленок ZnO использовалась следующая методика: 10 г (CH3COO)2Zn·2H2O, 20 мл CH3OCH2CH2OH и 3,2 мл HOCH2CH2NH2 и прекурсоры соответствующих металлов смешивались в круглодонной колбе и перемешивались в течение 15 минут при комнатной температуре до полного растворения ацетата цинка. На втором этапе раствор перемешивался в течение 60 мин при температуре 60 °С с помощью магнитной мешалки. Полученный золь созревал в течение 24 ч при комнатной температуре и наносился на подложки методом погружения (dip-coating).

Формирование ZnO производилось методом центрифугирования. Окончательный отжиг проводился в течение 120 мин при 600 °С.

На рисунке 1 приведена структура поверхности синтезированных образцов, полученная методом атомно-силовой микроскопии.

а)

б)

Рис. 1. Структура поверхности пленок ZnO (а) и ZnO (б), полученных золь-гель методом (по данным атомно-силовой микроскопии)

Анализ полученных изображений показывает, что в обоих случаях архитектура образцов представлена ветвистыми структурами полупроводникового материала, собранного из первичных зерен, полученных в золе на ранних этапах его синтеза. Однако в образце ZnO средняя характерная толщина ветвей ниже, чем в образце ZnO (1,2 и 1,6 мкм соответственно).

Все полученные образцы, а также контрольный образец нелегированного оксида цинка, полученного по аналогичной методике, были протестированы на фотокаталитическую активность в модельной реакции окисления метиленового синего.

Анализ полученных экспериментальных данных указывает на то, что процессы фотодеградации метиленового синего являются реакцией, близкой к реакции первого порядка. На рисунке 2 представлены константы скорости для всех полученных образцов.

Рис.2. Константы скорости фотокаталитического разложения метиленового синего на полученных образцах

Анализ рисунка показывает, что введение в оксид цинка меди улучшает его фотокаталитическую активность, а введение железа, напротив, ухудшает. На рисунке 3 приведена предполагаемая схема процессов, происходящих при фотокаталитическом окислении метиленового синего.

Рис.3. Схема процессов фотокаталитического окисления метиленового синего

При действии на фотокатализатор УФ-излучения с энергией равной (или большей) ширине запрещенной зоны (для ZnO ΔEg = 3,5 эВ) происходит генерация электронно-дырочной пары. Фотогенерированные положительные дырки валентной зоны реагируют с адсорбированной на поверхности ZnO водой, либо гидроксогруппами. Данный процесс приводит к образованию радикала •ОН, обладающего сильными окислительными свойствами. Электроны зоны проводимости реагируют с акцепторами электронов, такими, как адсорбированный на поверхности кислород или кислород, растворенный в воде. Данный процесс приводит к образованию супероксидного радикала. Полученные высокоактивные радикалы вступают во взаимодействие с метиленовым синим с образованием промежуточных соединений, которые, разлагаясь, образуют неорганические ионы, как показано на рисунке 3.

Таким образом, в работе проведено исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего. Показано, что введение катионов металлов в оксид цинка позволяет как улучшать фотокаталитическую активность, так и ухудшать ее.

Авторы выражают благодарность Мараевой Е. В. (к.т.н., ассистент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ») за помощь в исследовании структуры образцов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16–32–00053 мол_а.

Литература:

  1. Dresselhaus M. S., Thomas I. L. Alternative energy technologies //Nature. — 2001. — Т. 414. — №. 6861. — С. 332–337.
  2. Goumas M., Lygerou V. An extension of the PROMETHEE method for decision making in fuzzy environment: Ranking of alternative energy exploitation projects //European Journal of Operational Research. — 2000. — Т. 123. — №. 3. — С. 606–613.
  3. Asahi R. et al. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides // Science. — 2001. — Т. 293. — №. 5528. — С. 269–271.
  4. Пронин И. А. и др. Фотокаталитическое окисление фармацевтических препаратов на тонких наноструктурированных пленках оксида цинка //Кинетика и катализ. — 2014. — Т. 55. — №. 2. — С. 176–176.
  5. Пронин И. А. и др. Взаимосвязь фотокаталитических и фотолюминесцентных свойств оксида цинка, легированного медью и марганцем //Физика и техника полупроводников. — 2014. — Т. 48. — №. 7. — С. 868–874.
  6. Hoffmann M. R. et al. Environmental applications of semiconductor photocatalysis //Chemical reviews. — 1995. — Т. 95. — №. 1. — С. 69–96.
Основные термины (генерируются автоматически): метиленового синего, окисления метиленового синего, модельной реакции окисления, реакции окисления метиленового, оксид цинка, оксида цинка, тонких пленок zno, фотокаталитическую активность, фотодеградации метиленового синего, золь-гель методом, активности тонких пленок, ацетата цинка, фотокаталитической активности тонких, оксид цинка небольших, оксид цинка меди, оксида цинка катионами, нелегированного оксида цинка, растворения ацетата цинка, пленках оксида цинка, дигидрат ацетата цинка.

Ключевые слова

фотокатализ, золь-гель технология, оксид цинка, наноструктурированные пленки

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Посетите сайты наших проектов

Задать вопрос