Влияние положения фотонной запрещенной зоны на фотокаталитическую активность фотонных кристаллов из анодного оксида титана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Одним из важных оптических эффектов, наблюдаемых для фотонных кристаллов, является замедление групповой скорости света на краях фотонной запрещенной зоны. Эффект “медленного света” используется в фотокатализе для повышения фотокаталитической активности полупроводников. В настоящей работе были получены фотонные кристаллы на основе закристаллизованного в анатаз анодного оксида титана с различным спектральным положением фотонной запрещенной зоны (390–1283 нм при исследовании в воде). Показано, что максимальную фотокаталитическую активность в реакции фоторазложения метиленового синего проявляют фотонные кристаллы с положением одной из фотонных запрещенных зон вблизи края собственного поглощения полупроводника (410 нм). При этом фотокаталитическая активность фотонного кристалла из диоксида титана возрастает на 30%, когда вблизи края собственного поглощения TiO2 находится фотонная запрещенная зона третьего, а не первого порядка.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. А. Белокозенко

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: nina@elch.chem.msu.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Н. А. Саполетова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: nina@elch.chem.msu.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

С. Е. Кушнир

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: nina@elch.chem.msu.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

К. С. Напольский

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: nina@elch.chem.msu.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Goodeve C.F., Kitchener J.A. // Trans. Faraday Soc. 1938. V. 34. P. 902. https://doi.org/10.1039/TF9383400902
  2. Филимонов В.Н. // Докл. АН СССР. 1964. Т. 154. № 4. С. 922.
  3. Lim S.Y., Law C.S., Liu L. et al. // Catalysts. 2019. V. 9. № 12. P. 988. https://doi.org/10.3390/catal9120988
  4. Chen X., Shen S., Guo L. et al. // Chem. Rev. 2010. V. 110. № 11. P. 6503. https://doi.org/10.1021/cr1001645
  5. Chen D., Cheng Y., Zhou N. et al. // J. Clean. Prod. 2020. V. 268. P. 121725. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121725
  6. Nguyen T.P., Nguyen D.L.T., Nguyen V.-H. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 2. P. 337. https://doi.org/10.3390/nano10020337
  7. Kaushal S., Kaur H., Kumar S. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 4. P. 616. https://doi.org/10.1134/S0036023620040087
  8. Садовников А.А., Нечаев Е.Г., Бельтюков А.Н. и др. // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 4. С. 432. [Sadovnikov A.A., Nechaev E.G., Beltiukov A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 4. P. 460. https://doi.org/10.1134/S0036023621040197]
  9. Беликов М.Л., Седнева Т.А., Локшин Э.П. // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 2. С. 154. [Belikov M.L., Sedneva T.A., Lokshin E.P. // Inorg Mater 2021. V. 57. № 2. P. 146. https://doi.org/10.1134/S0020168521020023]
  10. Дорошева И.Б., Валеева А.А., Ремпель А.А. и др. // Неорган. материалы. 2021. Т.. 57. № 5. С. 528. [Dorosheva I.B., Valeeva A.A., Rempel A.A. et al. // Inorg Mater. 2021. V. 57. № 5. P. 503. https://doi.org/10.1134/S0020168521050022]
  11. Sakfali J., Ben Chaabene S., Akkari R. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 8. P. 1324. https://doi.org/10.1134/S003602362208023X
  12. Xiao-fang Li, Feng X., Li R. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 2. P. S98. https://doi.org/10.1134/S0036023622602124
  13. Беликов М.Л., Сафарян С.А. // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. С. 742. [Belikov M.L., Safaryan S.A. // Inorg Mater. 2022. V. 58. № 7. P. 715. https://doi.org/10.1134/S0020168522070032]
  14. Tang H., Berger H., Schmid P.E. et al. // Solid State Commun. 1993. V. 87. № 9. P. 847. https://doi.org/10.1016/0038-1098(93)90427-O
  15. Amtout A., Leonelli R. // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. № 11. P. 6842. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.6842
  16. Perović K., dela Rosa F.M., Kovačić M. et al. // Materials. 2020. V. 13. № 6. P. 1338. https://doi.org/10.3390/ma13061338
  17. Zhao D., Sheng G., Chen C. et al. // Appl. Catal., B: Environ. 2012. V. 111–112. P. 303. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2011.10.012
  18. Yu Y., Yu J.C., Yu J.-G. et al. // Appl. Catal. Gen. 2005. V. 289. № 2. P. 186. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2005.04.057
  19. Lee I., Joo J.B., Yin Y. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. V. 50. № 43. P. 10208. https://doi.org/10.1002/anie.201007660
  20. Kolesnik I.V., Chebotaeva G.S., Yashina L.V. et al. // Mendeleev Commun. 2013. V. 1. № 23. P. 11. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2013.01.003
  21. Chen J.I.L., von Freymann G., Choi S.Y. et al. // Adv. Mater. 2006. V. 18. № 14. P. 1915. https://doi.org/ 10.1002/adma.200600588
  22. Chen S.-L., Wang A.-J., Dai C. et al. // Chem. Eng. J. 2014. V. 249. P. 48. https://doi.org/10.1016/j.cej. 2014.03.075
  23. Wang Y., Xiong D.-B., Zhang W. et al. // Catal. Today. 2016. V. 274. P. 15. https://doi.org/10.1016/j.cattod. 2016.01.052
  24. Zheng L., Dong Y., Bian H. et al. // Electrochim. Acta. 2016. V. 203. P. 257. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.04.049
  25. Li Y., Liu F.-T., Chang Y. et al. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 426. P. 770. https://doi.org/10.1016/j.apsusc. 2017.07.258
  26. Zhou W.-M., Wang J., Wang X.-G. et al. // Phys. E: Low-Dimens. Syst. Nanostructures. 2019. V. 114. P. 113571. https://doi.org/10.1016/j.physe.2019.113571
  27. Li J.-F., Wang J., Wang X.-T. et al. // Cryst. Eng. Comm. 2020. V. 22. № 11. P. 1929. https://doi.org/10.1039/C9CE01828J
  28. Lin J., Liu K., Chen X. // Small. 2011. V. 7. № 13. P. 1784. https://doi.org/10.1002/smll.201002098
  29. Xie Y.-L., Li Z.-X., Xu H. et al. // Electrochem. Commun. 2012. V. 17. P. 34. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2012.01.021
  30. Sapoletova N.A., Kushnir S.E., Napolskii K.S. // Electrochem. Commun. 2018. V. 91. P. 5. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2018.04.018
  31. Sadykov A.I., Kushnir S.E., Sapoletova N.A. et al. // Scripta Mater. 2020. V. 178. P. 13. https://doi.org/ 10.1016/j.scriptamat.2019.10.044
  32. Curti M., Schneider J., Bahnemann D.W. et al. // J. Phys. Chem. Lett. 2015. V. 6. № 19. P. 3903. https://doi.org/ 10.1021/acs.jpclett.5b01353
  33. Zhou X., Liu N., Schmuki P. // ACS Catal. 2017. V. 7. № 5. P. 3210. https://doi.org/10.1021/acscatal.6b03709
  34. Chen J.I.L., Freymann G. von, Choi S.Y. et al. // J. Mater. Chem. 2008. V. 18. № 4. P. 369. https://doi.org/10.1039/B708474A
  35. Joannopoulos J.D., Johnson S.G., Winn J.N. et al. // Photonic crystals: molding the flow of light. Woodstock: Princeton University Press, 2008.
  36. Waterhouse G.I.N., Wahab A.K., Al-Oufi M. et al. // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 2849. https://doi.org/10.1038/srep02849
  37. Wu M., Jin J., Liu J. et al. // J. Mater. Chem. A. 2013. V. 1. № 48. P. 15491. https://doi.org/10.1039/C3TA13574H
  38. Sapoletova N.A., Kushnir S.E., Napolskii K.S. // Nanotechnology. 2022. V. 33. № 6. P. 065602. https://doi.org/ 10.1088/1361-6528/ac345c
  39. Mote V., Purushotham Y., Dole B. // J. Theor. Appl. Phys. 2012. V. 6. № 1. P. 6. https://doi.org/10.1186/2251-7235-6-6
  40. Zhang J., Li S., Ding H. et al. // J. Power Sources. 2014. V. 247. P. 807. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour. 2013.08.124
  41. Саполетова Н.А., Кушнир С.Е., Черепанова Ю.М. и др. // Неорган. материалы 2022. Т. 58. № 1. С. 44. [Sapoletova N.A., Kushnir S.E., Cherepanova Yu.M. et al. // Inorg. Mater. 2022. V. 58. № 1. P. 40. https://doi.org/10.1134/S0020168522010101]
  42. Булдаков Д.А., Петухов Д.И., Колесник И.В. и др. // Росс. нанотехн. 2009. Т. 4. № 5–6. С. 58. [Buldakov D.A., Petukhov D.I., Kolesnik I.V. et al. // Nanotechnol Russia. 2009. V. 4. № 5. P. 296. https://doi.org/10.1134/S1995078009050061]
  43. Su Z., Zhou W. // J. Mater. Chem. 2009. V. 19. № 16. P. 2301. https://doi.org/10.1039/B820504C
  44. Roslyakov I.V., Kolesnik I.V., Levin E.E. et al. // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 381. P. 125159. https://doi.org/ 10.1016/j.surfcoat.2019.125159
  45. Уханов Ю.И. // Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.
  46. Joshi G.P., Saxena N.S., Mangal R. et al. // Bull. Mater. Sci. 2003. V. 26. № 4. P. 387. https://doi.org/10.1007/BF02711181

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимости прикладываемого напряжения (U ) и регистрируемой плотности тока ( j) от плотности заряда (а) и времени анодирования (б) в процессе синтеза образца S857.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограмма отожженного образца S1065 на титановой подложке. В нижней части рисунка приведены положения и относительная интенсивность рефлексов титана [44–1294] и анатаза [21–1272] из базы данных ICDD PDF2.

Скачать (475KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр пропускания отожженного образца NT (а) и он же, перестроенный в координатах Тауца для непрямозонного полупроводника (б).

Скачать (513KB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-изображения верхней поверхности (а), поперечного скола (б) и нижней поверхности (в) отожженного образца S857. Сплошной и пунктирной стрелками обозначены части пленки АОТ, сформированные при переменном напряжении 50–70 В и постоянном напряжении 50 В соответственно.

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры полного отражения отожженных ФК на основе АОТ с порами, заполненными водой. Над максимумами отражения, соответствующими ФЗЗ, указаны шифры образцов ФК.

Скачать (524KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кинетические кривые фоторазложения метиленового синего под действием УФ-излучения (365 нм) в присутствии отожженных ФК на основе АОТ с различным положением ФЗЗ (390–1283 нм), а также отожженного образца NT, полученного при постоянном напряжении 60 В. В качестве холостой пробы выступала алюминиевая фольга.

Скачать (925KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость константы скорости реакции (k) фоторазложения метиленового синего от положения максимума ФЗЗ фотокатализатора при воздействии УФ-излучения (365 нм). Закрашенные и незакрашенные фигуры означают положение ФЗЗ первого и третьего порядка соответственно. Горизонтальной пунктирной линией отмечено значение k, рассчитанное для образца NT, полученного при постоянном напряжении 60 В. Вертикальной пунктирной линией обозначено экспериментальное значение ширины запрещенной зоны анатаза (Eg = 3.02 эВ, что эквивалентно длине волны 410 нм).

Скачать (617KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024