Порівняння властивостей анатаза і рутила для фотокаталітичного використання: короткий огляд

  • Володимир Моргунов Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, Україна; Українська інженерно-педагогічна академія, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-8681-1941
  • Сергій Литовченко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-3292-5468
  • Володимир Чишкала Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-8634-4212
  • Дмитро Рябчиков Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9529-0412
  • Дементій Матвієнко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-4-02
Ключові слова: фотокаталіз, діоксид титану, анатаз, рутил, заборонена зона, фотоефективність, генерація електронних дірок

Анотація

Діоксид титану TiO2 привертає велику увагу як напівпровідниковий фотокаталізатор через свою високу фотореактивність, нетоксичність, корозійну стійкість, фотостійкість, дешевизну. Він може бути використаний у широкому спектрі застосувань: очищення повітря та води, генерування водню Н2, зменшення вмісту СО2, у фотоелектричних пристроях тощо. Зусилля вчених були використані для використання сонячного світла для фотокаталізу діоксиду титану та підвищення фотокаталітичної ефективності. У цій статті ми розглядаємо різницю властивостей модифікацій анатазу та рутилу TiO2. Анатаз має більш високу фотоефективність. Більш висока фотоефективність анатазу обумовлена більш тривалим терміном життя носіїв заряду (час життя e-/h+ в анатазі на 3 порядки вище, ніж у рутилу). Але анатаз має більшу ширину забороненої зони (3,2 еВ або 388 нм) у порівнянні з рутилом (3,0 еВ або 414 нм). Таким чином, анатаз стає світлочутливим в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні світла, тим часом рутил - у фіолетовому спектрі видимого світла. Бажано отримати напівпровідник TiO2 з властивостями, що поєднують найкращі з них для анатазу та рутилу: більша фотореактивність та менша забороненої зони. Це можна зробити за допомогою зовнішніх факторів, таких як електричне або магнітне поле, легування тощо.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

A. Fujishima and K. Honda, Nature 238, 37–38 (1972), https://doi.org/10.1038/238037a0.

T. Ochiai and A. Fujishima, Journal of Photochemistry and photobiology C: Photochemistry reviews 13, 247–262 (2012), https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.07.001.

F. He, W. Jeon, and W. Choi, Nature Communications 12, 1–4 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-021-22839-0.

A Fernandez, G Lassaletta, V. Jimenez, A Justo, A. Gonzalez-Elipe, J.-M. Herrmann, H Tahiri, and Y Ait-Ichou, Applied Catalysis B: Environmental 7, 49–63 (1995), https://doi.org/10.1016/0926-3373(95)00026-7.

K. Nakata, T. Ochiai, T. Murakami, and A. Fujishima, Electrochimica Acta 84, ELECTROCHEMICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY State of the Art and Future Perspectives On the occasion of the International Year of Chemistry (2011), 103–111 (2012), https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.035.

J. ˆAngelo, L. Andrade, L. M. Madeira, and A. Mendes, en, Journal of Environmental Management 129, 522–539 (2013), https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2013.08.006.

O. Ola and M. M. Maroto-Valer, en, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 24, 16–42 (2015), https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2015.06.001.

G. Fu, P. S. Vary, and C.-T. Lin, The Journal of Physical Chemistry B 109, 8889–8898 (2005), https://doi.org/10.1021/jp0502196.

Y. Liu, X. Wang, F. Yang, and X. Yang, en, Microporous and Mesoporous Materials 114, 431–439 (2008), https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.01.032.

U. Joost, K. Juganson, M. Visnapuu, M. Mortimer, A. Kahru, E. N˜ommiste, U. Joost, V. Kisand, and A. Ivask, en, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 142, 178–185 (2015), https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2014.12.010.

A. Kubacka, M. Ferrer, M. L. Cerrada, C. Serrano, M. S´anchez-Chaves, M. Fern´andez-Garc´ıa, A. de Andr´es, R. J. J. Riob´oo, F. Fern´andez-Mart´ın, and M. Fern´andez-Garc´ıa, en, Applied Catalysis B: Environmental 89, 441–447 (2009), https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2009.01.002.

S. Sfaelou and P. Lianos, AIMS Mater. Sci. 3, 270–288 (2016).

M. Kaneko, N. Gokan, N. Katakura, Y. Takei, and M. Hoshino, Chem. Commun., 1625–1627 (2005), https://doi.org/10.1039/B418580C.

K. Iyatani, Y. Horiuchi, M. Moriyasu, S. Fukumoto, S.-H. Cho, M. Takeuchi, M. Matsuoka, and M. Anpo, J. Mater. Chem. 22, 10460–10463 (2012), https://doi.org/10.1039/C2JM32064A.

M. Ni, M. K. Leung, D. Y. Leung, and K. Sumathy, Renewable Sustainable Energy Rev. 11, 401–425 (2007), https://doi.org/10.1016/j.rser.2005.01.009.

V. Kumaravel, S. Mathew, J. Bartlett, and S. C. Pillai, Applied Catalysis B: Environmental 244, 1021–1064 (2019), https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.11.080.

S. Banerjee, D. D. Dionysiou, and S. C. Pillai, Applied Catalysis B: Environmental 176-177, 396–428 (2015), https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.058.

C. Euvananont, C. Junin, K. Inpor, P. Limthongkul, and C. Thanachayanont, Ceramics International 34, The Fifth Asian Meeting on Electroceramics (AMEC-5), 1067–1071 (2008), https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2007.09.043.

A. Folli, C. Pade, T. B. Hansen, T. De Marco, and D. E. Macphee, Cement and Concrete Research 42, 539–548 (2012), https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.12.001.

C. Garlisi and G. Palmisano, en, Applied Surface Science 420, 83–93 (2017), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.05.077.

J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, and D. W. Bahnemann, Chemical reviews 114, 9919–9986 (2014), https://doi.org/10.1021/cr5001892.

O. Carp, C. L. Huisman, and A. Reller, en, Progress in Solid State Chemistry 32, 33–177 (2004), https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2004.08.001.

M. Yadav, A. Yadav, R. Fernandes, Y. Popat, M. Orlandi, A. Dashora, D. C. Kothari, A. Miotello, B. L. Ahuja, and N. Patelen, Journal of Environmental Management 203, 364–374 (2017), https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.08.010.

K. Subalakshmi and J. Senthilselvan, en, Solar Energy 171, 914–928 (2018), 10.1016/j.solener.2018.06.077.

M. Diak, E. Grabowska, and A. Zaleska, en, Applied Surface Science 347, 275–285 (2015), https://10.1016/j.apsusc.2015.04.103.

X. Pan and Y.-J. Xu, The Journal of Physical Chemistry C 117, 17996–18005 (2013), 10.1021/jp4064802.

Z. Jiang, H. Wang, H. Huang, and C. Cao, en, Chemosphere 56, 503–508 (2004), https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2004.02.006.

V. Morgunov and D. Rudenko, Method of photocatalytic disinfection and purification of air from harmful gas compounds,dust, UA Patent 108560, Jul. 2016.

K.-H. Chung, S. Jeong, B.-J. Kim, K.-H. An, Y.-K. Park, and S.-C. Jung, en, International Journal of Hydrogen Energy 43, 11422–11429 (2018), https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.03.190.

J. F. Gomes, A. Lopes, K. Bednarczyk, M. Gmurek, M. Stelmachowski, A. Zaleska-Medynska, M. E. Quinta-Ferreira, R. Costa, R. M. Quinta-Ferreira, and R. C. Martins, en, ChemEngineering 2, 4 (2018), https://doi.org/10.3390/chemengineering2010004.

N. Singhal and U. Kumar, en, Molecular Catalysis 439, 91–99 (2017), https://doi.org/10.1016/j.mcat.2017.06.031.

J. Choi, H. Park, and M. R. Hoffmann, The Journal of Physical Chemistry C 114, 783–792 (2010), https://doi.org/10.1021/jp908088x.

J. M. Mac´ak, H. Tsuchiya, A. Ghicov, and P. Schmuki, en, Electrochemistry Communications 7, 1133–1137 (2005), https://doi.org/10.1016/j.elecom.2005.08.013.

G. Yang, Z. Yan, and T. Xiao, en, Applied Surface Science 258, 8704–8712 (2012), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.05.078.

A. Zaleska, Recent Patents on Engineering 2, 157–164 (2008), https://doi.org/10.2174/187221208786306289.

S. G. Kumar and K. S. R. K. Rao, en, Applied Surface Science, 2nd International Symposium on Energy and Environmental Photocatalytic Materials 391, 124–148 (2017), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.081.

N. Serpone and A. V. Emeline, en, International Journal of Photoenergy 4, 91–131 (2002), https://dpoi.org/10.1155/S1110662X02000144.

S. E. Braslavsky and K. N. Houk, de, Pure and Applied Chemistry 60, 1055–1106 (1988), https://doi.org/10.1351/pac198860071055.

J. W. Verhoeven, de, Pure and Applied Chemistry 68, 2223–2286 (1996), https://doi.org/10.1351/pac199668122223.

S. E. Braslavsky, A. M. Braun, A. E. Cassano, A. V. Emeline, M. I. Litter, L. Palmisano, V. N. Parmon, and N. Serpone, de, Pure and Applied Chemistry 83, 931–1014 (2011), https://doi.org/10.1351/PAC-REC-09-09-36.

R. M. Wood, Proceedings of the Physical Society (1958-1967) 80, 783 (1962), https://doi.org/10.1088/0370-1328/80/3/323.

C. A. Hampel, The encyclopedia of the chemical elements, English, OCLC: 449569 (Reinhold Book Corp., New York, 1968).

F. Grant, Reviews of Modern Physics 31, 646–674 (1959), https://doi.org/10.1103/RevModPhys.31.646.

G. V. Samsonov, The Oxide Handbook, en, IFI Data Base Library (Springer US, 1973),https://doi.org/10.1007/978-1-4615-9597-7.

L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia, V. Swamy, J. Muscat, N. Harrison, R. Ahuja, B. Holm, and B. Johansson, Nature 410, 653–654 (2001), https://doi.org/10.1038/35070650.

U. Diebold, en, Surface Science Reports 48, 53–229 (2003), https://doi.org/10.1016/S0167-5729(02)00100-0.

S. M. Bard A J and S Licht, Encyclopedia of electrochemistry. Vol. 6. Semiconductor electrodes and photoelectrochemistry, 2002.

K. V. K. Rao, S. V. N. Naidu, and L. Iyengar, en, Journal of the American Ceramic Society 53, 124–126 (1970), https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1970.tb12051.x.

D. A. H. Hanaor and C. C. Sorrell, en, Journal of Materials Science 46, 855–874 (2011), https://doi.org/10.1007/s10853-010-5113-0.

T. Jones, J. Edwards, and J. Kallioinen, en, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (American Cancer Society, 2019), pp. 1–76,https://doi.org/10.1002/0471238961.0914151805070518.a01.pub4.

J. K. Burdett, T. Hughbanks, G. J. Miller, J. W. Richardson, and J. V. Smith, Journal of the American Chemical Society 109, 3639–3646 (1987), https://doi.org/10.1021/ja00246a021.

T. Hahn and P. Paufler, en, Crystal Research and Technology 19, 1306–1306 (1984), https://doi.org/10.1002/crat.2170191008.

J. Zhang, P. Zhou, J. Liu, and J. Yu, en, Physical Chemistry Chemical Physics 16, 20382–20386 (2014), https://doi.org/10.1039/C4CP02201G.

K Madhusudan Reddy, S. V. Manorama, and A Ramachandra Reddy, en, Materials Chemistry and Physics 78, 239–245 (2003), https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00343-7.

N. Serpone, The Journal of Physical Chemistry B 110, 24287–24293 (2006), https://doi.org/10.1021/jp065659r.

N. Daude, C. Gout, and C. Jouanin, Physical Review B 15, 3229–3235 (1977), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.15.3229.

H. Wang and J. P. Lewis, en, Journal of Physics: Condensed Matter 18, 421–434 (2005), https://doi.org/10.1088/0953-8984/18/2/006.

D. Mardare, M. Tasca, M. Delibas, and G. I. Rusu, en, Applied Surface Science 156, 200–206 (2000), https://doi.org/10.1016/S0169-4332(99)00508-5.

T. Ohno, K. Sarukawa, and M. Matsumura, The Journal of Physical Chemistry B 105, 2417–2420 (2001), https://doi.org/10.1021/jp003211z.

S. Chambers, S. Thevuthasan, R. Farrow, R. Marks, J. Thiele, L. Folks, M. Samant, A. Kellock, N. Ruzycki, D. Ederer, and U. Diebold, Applied Physics Letters 79, 3467–3469 (2001), https://doi.org/10.1063/1.1420434.

Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Shono, T. Hasegawa, T. Fukumura, M. Kawasaki, P. Ahmet, T. Chikyow, S.-Y. Koshihara, and H. Koinuma, Science 291, 854–856 (2001), https://doi.org/10.1126/science.1056186.

W. M¨onch, Semiconductor Surfaces and Interfaces, en, 3rd ed., Springer Series in Surface Sciences (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2001),https://doi.org/10.1007/978-3-662-04459-9.

P. J. D. Lindan, N. M. Harrison, M. J. Gillan, and J. A. White, Physical Review B 55, 15919–15927 (1997), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.15919.

Z. Wang, B. Wen, Q. Hao, L.-M. Liu, C. Zhou, X. Mao, X. Lang, W.-J. Yin, D. Dai, A. Selloni, and X. Yang, Journal of the American Chemical Society 137, 9146–9152 (2015), https://doi.org/10.1021/jacs.5b04483.

B.Wen, Q. Hao, W.-J. Yin, L. Zhang, Z.Wang, T.Wang, C. Zhou, A. Selloni, X. Yang, and L.-M. Liu, en, Physical Chemistry Chemical Physics 20, 17658–17665 (2018), https://doi.org/10.1039/C8CP02648C.

W.-J. Yin, B. Wen, C. Zhou, A. Selloni, and L.-M. Liu, en, Surface Science Reports 73, 58–82 (2018), https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2018.02.003.

A. G. Thomas, W. R. Flavell, A. K. Mallick, A. R. Kumarasinghe, D. Tsoutsou, N. Khan, C. Chatwin, S. Rayner, G. C. Smith, R. L. Stockbauer, S. Warren, T. K. Johal, S. Patel, D. Holland, A. Taleb, and F. Wiame, Physical Review B 75, 035105 (2007), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.035105.

M. Setvin, C. Franchini, X. Hao, M. Schmid, A. Janotti, M. Kaltak, C. G. Van de Walle, G. Kresse, and U. Diebold, Physical Review Letters 113, 086402 (2014), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.086402.

Q. Guo, C. Zhou, Z. Ma, and X. Yang, en, Advanced Materials 31, 1901997 (2019), https://doi.org/10.1002/adma.201901997.

N. A. Deskins, R. Rousseau, and M. Dupuis, The Journal of Physical Chemistry C 114, 5891–5897 (2010), https://doi.org/10.1021/jp101155t.

R. R. D. Center, ASTM G173-03 Tables (2012).

M. A. Henderson, en, Surface Science Reports 66, 185–297 (2011), 10.1016/j.surfrep.2011.01.001.

S. Kohtani, A. Kawashima, and H. Miyabe, en, Catalysts 7, 303 (2017), https://doi.org/10.3390/catal7100303.

Y. Tamaki, A. Furube, M. Murai, K. Hara, R. Katoh, and M. Tachiya, en, Physical Chemistry Chemical Physics 9, 1453–1460 (2007), https://doi.org/10.1039/B617552J.

Y. Yamada and Y. Kanemitsu, Applied Physics Letters 101, 133907 (2012), https://doi.org/10.1063/1.4754831.

R. H. Bube, Photoconductivity of solids (Wiley, New York, 1978).

D. M. Eagles, Journal of Physics and Chemistry of Solids 25, 1243–1251 (1964), https://doi.org/10.1016/0022-3697(64)90022-8.

J. M. Lantz and R. M. Corn, The Journal of Physical Chemistry 98, 9387–9390 (1994), https://doi.org/10.1021/j100069a022.

A. Stevanovic and J. T. Yates, The Journal of Physical Chemistry C 117, 24189–24195 (2013), https://doi.org/10.1021/jp407765r.

T. Berger, M. Sterrer, O. Diwald, E. Kn¨ozinger, D. Panayotov, T. L. Thompson, and J. T. Yates, The Journal of Physical Chemistry B 109, 6061–6068 (2005), https://doi.org/10.1021/jp0404293.

L. Liu and T.-K. Sham, en, in Titanium dioxide - material for a sustainable environment, edited by D. Yang (InTech, June 2018),https://doi.org/10.5772/intechopen.72856.

L. Gundlach, R. Ernstorfer, and F. Willig, Physical Review B 74, 035324 (2006), 10.1103/PhysRevB.74.035324.

R. Qian, H. Zong, J. Schneider, G. Zhou, T. Zhao, Y. Li, J. Yang, D. W. Bahnemann, and J. H. Pan, en, Catalysis Today, Advances in photo(electro)catalysis for environmental applications and chemical synthesis 335, 78–90 (2019), https://doi.org/10.1016/j.cattod.2018.10.053.

A. Stevanovic and J. T. Yates, Langmuir 28, 5652–5659 (2012), 10.1021/la205032j.

T. Bredow and K. Jug, The Journal of Physical Chemistry 99, 285–291 (1995), https://doi.org/10.1021/j100001a044.

V. Shapovalov, E. V. Stefanovich, and T. N. Truong, en, Surface Science 498, L103–L108 (2002), https://doi.org/10.1016/S0039-6028(01)01595-3.

Y. Ji, B. Wang, and Y. Luo, The Journal of Physical Chemistry C 116, 7863–7866 (2012), https://doi.org/10.1021/jp300753f.

M. Anpo, T. Shima, and Y. Kubokawa, Chemistry Letters 14, 1799–1802 (1985), https://doi.org/10.1246/cl.1985.1799.

O. I. Micic, Y. Zhang, K. R. Cromack, A. D. Trifunac, and M. C. Thurnauer, The Journal of Physical Chemistry 97, 7277–7283 (1993), https://doi.org/10.1021/j100130a026.

C. Di Valentin, G. Pacchioni, and A. Selloni, Physical Review Letters 97, 166803 (2006), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.166803.

Y. Tamaki, K. Hara, R. Katoh, M. Tachiya, and A. Furube, The Journal of Physical Chemistry C 113, 11741–11746 (2009), https://doi.org/10.1021/jp901833j.

M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Choi, and D. W. Bahnemann, Chemical Reviews 95, 69–96 (1995), https://doi.org/10.1021/cr00033a004.

H. H. Mohamed, R. Dillert, and D. W. Bahnemann, en, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 217, 271–274 (2011), https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2010.09.024.

P. F. Schwarz, N. J. Turro, S. H. Bossmann, A. M. Braun, A.-M. A. A. Wahab, and H. Duerr, The Journal of Physical Chemistry B 101, 7127–7134 (1997), https://doi.org/10.1021/jp971315c.

S. Kim and W. Choi, Environmental Science & Technology 36, 2019–2025 (2002), https://doi.org/10.1021/es015560s.

D. P. Colombo Jr and R. M. Bowman, The Journal of Physical Chemistry 99, 11752–11756 (1995), https://doi.org/10.1021/j100030a020.

K. M. Schindler and M. Kunst, Journal of Physical Chemistry 94, 8222–8226 (1990), https://doi.org/10.1021/j100384a045.

Z. Zhang and J. T. Yates, The Journal of Physical Chemistry C 114, 3098–3101 (2010), 10.1021/jp910404e.

D. P. Colombo and R. M. Bowman, The Journal of Physical Chemistry 100, 18445–18449 (1996), https://doi.org/10.1021/jp9610628.

Опубліковано
2021-12-10
Цитовано
Як цитувати
Моргунов, В., Литовченко, С., Чишкала, В., Рябчиков, Д., & Матвієнко, Д. (2021). Порівняння властивостей анатаза і рутила для фотокаталітичного використання: короткий огляд. Східно-європейський фізичний журнал, (4), 18-30. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-4-02
Номер
№ 4 (2021): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Огляди

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).

Найбільш популярні статті цього автора (авторів)