Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов

Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов

Предложен метод и разработана установка для получения наноразмерного оксида титана из его алкоксидов путём испарения—разложения на воздухе. Полученные образцы оксида титана исследованы физическими и химическими методами. Изучена активность полученных образцов в реакции гетерогенного фотокаталитическ...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
Hauptverfasser: Осипова, В.А., Филатов, И.Е., Ятлук, Ю.Г., Андрейков, Е.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Schriftenreihe:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75196
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов / В.А. Осипова, И.Е. Филатов, Ю.Г. Ятлук, Е.И. Андрейков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 873-879. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-75196
record_format dspace
spelling irk-123456789-751962015-01-28T03:02:23Z Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов Осипова, В.А. Филатов, И.Е. Ятлук, Ю.Г. Андрейков, Е.И. Предложен метод и разработана установка для получения наноразмерного оксида титана из его алкоксидов путём испарения—разложения на воздухе. Полученные образцы оксида титана исследованы физическими и химическими методами. Изучена активность полученных образцов в реакции гетерогенного фотокаталитического окисления метиленового голубого, как эталонного загрязнителя в водном растворе при ультрафиолетовом облучении. Запропоновано методу і розроблено уставу для одержання нанорозмірного оксиду титану з його алкоксидів шляхом випаровування—розкладання на повітрі. Одержані зразки оксиду титану досліджено фізичними і хемічними методами. Вивчено активність одержаних зразків у реакції гетерогенного фотокаталітичного окиснення метиленової сині як етальонного забруднювача у водному розчині при ультрафіолетовому опроміненні. Method and plant for fabrication of nanosize titanium oxide from its alkoxide by evaporation and decomposition in air are developed. The obtained samples of titanium oxide are studied by physical and chemical methods. Activity of the samples obtained in the reaction of heterogeneous photocatalytic oxidation of methylene blue as a reference contaminant in an aqueous solution under ultraviolet irradiation is investigated. 2011 Article Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов / В.А. Осипова, И.Е. Филатов, Ю.Г. Ятлук, Е.И. Андрейков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 873-879. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 77.84.Bw, 81.05.Je, 81.16.Hc, 81.16.Pr, 81.65.Mq, 82.50.Hp, 82.65.+r http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75196 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Предложен метод и разработана установка для получения наноразмерного оксида титана из его алкоксидов путём испарения—разложения на воздухе. Полученные образцы оксида титана исследованы физическими и химическими методами. Изучена активность полученных образцов в реакции гетерогенного фотокаталитического окисления метиленового голубого, как эталонного загрязнителя в водном растворе при ультрафиолетовом облучении.
format Article
author Осипова, В.А.
Филатов, И.Е.
Ятлук, Ю.Г.
Андрейков, Е.И.
spellingShingle Осипова, В.А.
Филатов, И.Е.
Ятлук, Ю.Г.
Андрейков, Е.И.
Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Осипова, В.А.
Филатов, И.Е.
Ятлук, Ю.Г.
Андрейков, Е.И.
author_sort Осипова, В.А.
title Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
title_short Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
title_full Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
title_fullStr Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
title_full_unstemmed Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
title_sort получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2011
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75196
citation_txt Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов / В.А. Осипова, И.Е. Филатов, Ю.Г. Ятлук, Е.И. Андрейков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 873-879. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT osipovava polučeniefotokatalitičeskiaktivnogonanorazmernogodioksidatitanaizegoalkoksidov
AT filatovie polučeniefotokatalitičeskiaktivnogonanorazmernogodioksidatitanaizegoalkoksidov
AT âtlukûg polučeniefotokatalitičeskiaktivnogonanorazmernogodioksidatitanaizegoalkoksidov
AT andrejkovei polučeniefotokatalitičeskiaktivnogonanorazmernogodioksidatitanaizegoalkoksidov
first_indexed 2025-07-05T23:29:47Z
last_indexed 2025-07-05T23:29:47Z
_version_ 1836851594074783744
fulltext 873 PACS numbers:77.84.Bw, 81.05.Je,81.16.Hc,81.16.Pr,81.65.Mq,82.50.Hp, 82.65.+r Получение фотокаталитически активного наноразмерного диоксида титана из его алкоксидов В. А. Осипова, И. Е. Филатов*, Ю. Г. Ятлук, Е. И. Андрейков Институт органического синтеза им. И. Я. Постовского РАН, ул. Академическая/С. Ковалевской, 22/20, 620041, ГСП-147, Екатеринбург, Россия *Институт электрофизики РАН, ул. Амундсена, 106, 620016 Екатеринбург, Россия Предложен метод и разработана установка для получения наноразмерно- го оксида титана из его алкоксидов путём испарения—разложения на воз- духе. Полученные образцы оксида титана исследованы физическими и химическими методами. Изучена активность полученных образцов в ре- акции гетерогенного фотокаталитического окисления метиленового голу- бого, как эталонного загрязнителя в водном растворе при ультрафиолето- вом облучении. Запропоновано методу і розроблено уставу для одержання нанорозмірного оксиду титану з його алкоксидів шляхом випаровування—розкладання на повітрі. Одержані зразки оксиду титану досліджено фізичними і хеміч- ними методами. Вивчено активність одержаних зразків у реакції гетеро- генного фотокаталітичного окиснення метиленової сині як етальонного забруднювача у водному розчині при ультрафіолетовому опроміненні. Method and plant for fabrication of nanosize titanium oxide from its alkox- ide by evaporation and decomposition in air are developed. The obtained sam- ples of titanium oxide are studied by physical and chemical methods. Activity of the samples obtained in the reaction of heterogeneous photocatalytic oxi- dation of methylene blue as a reference contaminant in an aqueous solution under ultraviolet irradiation is investigated. Ключевые слова: фотокатализатор, окисление, оксид титана, алкокси- ды титана, ультрафиолет. (Получено 18 ноября 2010 г.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 4, сс. 873—879 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 874 В. А. ОСИПОВА, И. Е. ФИЛАТОВ, Ю. Г. ЯТЛУК, Е. И. АНДРЕЙКОВ 1. ВВЕДЕНИЕ Метод фотокаталитического окисления органических соединений в растворах имеет несомненные достоинства, позволяющие исполь- зовать его для решения ряда экологических задач, – процесс про- текает в мягких условиях, практически любые органические веще- ства могут быть разрушены и превращены в неорганические про- дукты. Перспективным фотокатализатором данного процесса явля- ется наноразмерный диоксид титана. Наиболее распространенным катализатором фотокаталитическо- го окисления органических соединений является наноразмерный диоксид титана марки Degussa P25 (Германия), получаемый путем окислительного разложения хлорида титана при высоких темпера- турах. Указанный метод получения экологически не безопасен, так как в качестве побочного продукта образуется хлор. Принцип действия фотокатализатора показан на рис. 1 [1]. По- глощение кванта света в объеме TiO2 вызывает перенос электрона из валентной зоны в зону проводимости и образование пары электрона и дырки (электронной вакансии). Электрон (e − ) и дырка (h + ) – до- статочно подвижные образования, и двигаясь в частице, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность. Межзонная, или непосредственная, рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует ис- чезновению пары носителей заряда – свободного электрона и дыр- ки. Захваченные поверхностью электрон и дырка обладают ярко вы- раженными окислительно-восстановительными свойствами и всту- пают в реакции с молекулами или фрагментами соединений, нахо- дящимися на поверхности частицы. Эти первичные реакции ини- циируют цепочки последующих превращений. Эффективность ка- тализатора определяется способностью образца к образованию пары электрон—дырка и невысокой скоростью их рекомбинации, что в свою очередь зависит от структуры диоксида титана. Рис. 1. Принцип действия фотокатализатора. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ ЕГО АЛКОКСИДОВ 875 Из литературных данных известно, что незначительное (≅ 1%) допирование диоксида титана углеродом увеличивает активность субстратов в реакциях фотокаталитического окисления [2, 3]. Кро- ме того, активность диоксида титана возрастает с увеличением площади поверхности (уменьшением размера частиц), из-за роста количества пар электрон—дырка (окислительно-восстановительных центров) на поверхности частицы. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Методика получения наноразмерного диоксида титана Диоксид титана был получен из алкоксидов титана Ti(OR)4, где R – этил, изопропил, бутил, третбутил. Поток паров алкоксидов полу- чали испарением – частичным разложением жидкой фазы на от- крытой поверхности нагревателя, дальнейшее дожигание продук- тов разложения проходило в муфельной печи в аэрозоле (рис. 2). Предложенная установка позволяла дозировать скорость подачи смеси алкоксидов на нагревательную поверхность, регулировать температуру нагревательной поверхности для испарения—разложе- ния смеси и обжигать поток паров алкоксидов и продуктов их раз- ложения в токе воздуха. 2.2. Изучение фотокаталитической активности Для изучения фотокаталитической активности в качестве модель- ного загрязнителя был выбран метиленовый голубой (МГ) – краси- тель тиазинового ряда [(CH3)2NC6H3NSC6H3N(CH3)2] + Cl − . Фотохими- ческая деструкция МГ в присутствии кислорода при глубоком окислении происходит по следующей схеме: Рис. 2. Схема установки для получения TiO2. 876 В. А. ОСИПОВА, И. Е. ФИЛАТОВ, Ю. Г. ЯТЛУК, Е. И. АНДРЕЙКОВ 2С16H18N3SCl + 51O2 hv > 3,2 эВ → 2HCl + 2H2SO4 + 6HNO3 + 32CO2 + 12H2O. В реакционную ячейку (стеклянный стакан вместимостью 150 см3) помещали навеску образца и раствор МГ с концентрацией 45 мг/л при рН среды ≅ 7. Затем суспензию интенсивно перемеши- вали магнитной мешалкой в течение одного часа в темноте для определения адсорбции МГ. Источник УФ-излучения (ртутно- кварцевая лампа среднего давления ДРЛ-125) предварительно про- гревали в течение 15 минут для выхода в стабильный режим. Далее ячейку помещали в зону УФ-излучения и при постоянном переме- шивании выдерживали необходимое время. Пробы суспензии цен- трифугировали для отделения твердой фазы. Затем на фотометре определялась оптическая плотность раствора. Фотометрическое определение выполняли с фильтром 670 нм на фотометре КФК-2, по градуировочной кривой определяли остаточную концентрацию МГ. 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С целью выбора исходного алкоксида титана для обжига исследова- ны алкоксиды титана: Ti(OEt)4, Ti(OiPr)4, Ti(OtBu)4. Для получен- ных продуктов были определены критические параметры [4] и тем- пературы кипения, необходимые для выбора температуры испаре- ния (табл. 1). Исходя из данных табл. 1, оптимальная температура поверхно- сти нагревателя 280—300°С, при которой вся жидкость будет мгно- венно переведена в пар, но при этом алкоксид титана не успеет пол- ностью разложиться. Термогравиметрический анализ показал, что кривые разложе- ния Ti(OR)4, где R – этил, изопропил, бутил, третбутил имеют од- ТАБЛИЦА 1. Температуры кипения алкоксидов титана. Вещество Tкип, °С Ti(OiPr)4 231,8 Ti(OtBu)4 248,6 Ti(OEt)4 266,6 ТАБЛИЦА 2. Характеристика полученных образцов TiO2. Исходный алкоксид С, % Sуд, м 2/г Ti(OEt)4 5,38 20,50 Ti(OiPr)4 1,94 19,95 Ti(OtBu)4 1,42 12,73 ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ ЕГО АЛКОКСИДОВ 877 нотипный характер и различаются только потерей массы, которая составляет от 27% до температуры 300°С и 66 до 79% при повыше- нии температуры до 900°С, при этом продукты обжига содержат остаточный углерод. В ходе исследований изучено влияние температуры обжига тет- раизопропоксититана на свойства получаемого диоксида титана. С увеличением температуры размер частиц уменьшается: 70,6 нм при 900°С и 55,9 нм – 1100°С. Наибольшая чистота продукта достига- ется при 900°С: содержание остаточного углерода в полученном об- разце 1,9%, при увеличение температуры до 1100°С содержание остаточного углерода достигает 2,8%. Высокое содержание углеро- да может значительно уменьшить каталитическую активность, по- этому дальнейшие опыты выполняли при 900°С. Из данных табл. 2 видно, что в ряду Ti(OEt)4, Ti(OiPr)4, Ti(OtBu)4 с увеличением размера алкильного радикала происходит уменьше- ние содержания остаточного углерода и удельной площади поверх- ности (метод BET), то есть соответственно увеличение размера ча- стиц. Рентгенофазовый анализ (рис. 3) полученных образцов показал, что продукт обжига тетраэтоксититана, хотя и проявляет несколь- а б в Рис. 3. Дифрактограммы образцов TiO2 из: a – Ti(OEt)4, б – Ti(OiPr)4, в – Ti(OtBu)4. 878 В. А. ОСИПОВА, И. Е. ФИЛАТОВ, Ю. Г. ЯТЛУК, Е. И. АНДРЕЙКОВ ко отдельных слабых и узких максимумов, которые можно отнести к структуре анатаза, практически полностью аморфен, а продукты обжига изопропокси- и третбутоксититана обладают кристалличе- ской составляющей, которая включает две фазы – анатаз и рутил (табл. 3), что позволяет прогнозировать для них наличие фотоката- литических свойств. Изучение каталитической активности продуктов в реакции фо- токаталитического окисления МГ показало, что значение конвер- сии МГ за 2 часа увеличивается от 8% для Ti(OEt)4 до 44% для Ti(OtBu)4 (рис. 4). Для исследования влияния разветвленности алкильного радика- ла исходного алкоксититана на каталитические свойства продуктов разложения, были исследован продукт разложения тетрабутокси- титана. Показано, что полученный при использовании линейного изомера оксид титана инертен при каталитическом окислении МГ. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Из данных анализа полученных образцов и деструкции МГ видно, что с помощью достаточно простого и малозатратного способа обжи- ТАБЛИЦА 3. Данные рентгенофазового анализа TiO2. Исходный алкоксид Структура TiO2 Анатаз, % Рутил, % Аморф., % Ti(OEt)4 0 0 100 Ti(OiPr)4 96 4 0 Ti(OtBu)4 13 6 81 Рис. 4. Деградация МГ на TiO2 из исходных Ti(OEt)4, Ti(OiPr)4, Ti(OtBu)4. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ ЕГО АЛКОКСИДОВ 879 га алкоксидов титана можно получить наноразмерный диоксид ти- тана, обладающий фотокаталитическими свойствами. При этом наибольшую каталитическую активность (44% за 2 ч.) проявляет образец диоксида титана с Sуд равной 12,7 м 2/г, полученный из тет- ратретбутоксититана, который содержит 13%/6% кристалличе- ских фаз анатаз/рутил соответственно и 1,42% остаточного углеро- да. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке про- граммы Президиума РАН №09-П-23-2001 и РФФИ «Урал» 08-03- 99082-р_офи. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. В. Воронцов, Д. В. Козлов, П. Г. Смирниотис, В. Н. Пармон, Кинети- ка и катализ, 46, № 2: 203 (2005). 2. В. М. Зайнуллина, В. П. Жуков, В. Н. Красильников, М. Ю. Янченко, Л. Ю. Булдакова, Е. В. Поляков, Физика твердого тела, 52, № 2: 253 (2010). 3. H. Liu, A. Imanishi, and Y. Nakato, Journal of Physical Chemistry, 111: 8603 (2007). 4. E. D. Nikitin, A. P. Popov, Y. G. Yatluk, and V. A. Simakina, Journal of Chemical&Engineering Data, 55, No. 1: 178 (2010).

Ähnliche Einträge