ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ПОЛУЧЕНИИ TiO2-ПИЛЛАРНОГО МОНТМОРИЛЛОНИТА С УЛУЧШЕННЫМИ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Аннотация
Предложен новый подход к получению высокоэффективного фотокатализатора - TiO2-пилларного монтмориллонита - гидротермально активированной интеркаляцией полигидроксокомплексами титана механически диспергированной бентонитовой матрицы. Материал охарактеризован методами рентгеновской дифрактометрии, низкотемпературной адсорбции/десорбции азота, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного микроанализа, измерения дзета-потенциала. Использование непродолжительного (до 3 мин) механического диспергирования в планетарной мельнице существенно повышает емкость катионного обмена при интеркаляции, а полученные после отжига при 500 °C фотокатализаторы характеризуются значительно более высокими значениями удельной площади поверхности и суммарного объема пор по сравнению с механически необработанным и исходным монтмориллонитом, средним размером кристаллитов TiO2 около 10 нм и содержанием анатаза свыше 90%. Механоактивация приводит к изменению ζ-потенциала частиц монтмориллонита от существенно отрицательной величины у исходного материала до практически нулевой, что является дополнительным аргументом более эффективной интеркаляции. Гидротермальная обработка приводит к появлению кораллоподобных образований оксида титана на поверхности монтмориллонита, а после механической обработки они существенно увеличиваются в размерах. Адсорбционные и фотокаталитические свойства исследованы в кварцевом реакторе на примере красителя родамин Б. Полная фотокаталитическая деструкция красителя достигалась в течение примерно 100 мин (начальная концентрация 40 мг/л, количество фотокатализатора 1 г/л, мощность УФ-лампы 250 Вт). Кинетика адсорбции описана моделями псевдо-первого и псевдо-второго порядков. Кинетика фотокатализа описана моделью Ленгмюра-Хиншельвуда. Высокая фотоактивность объясняется как улучшением текстурных свойств, так и возникновением дополнительных фотокаталитических центров благодаря дефектной структуре механически активированного монтмориллонита.
Для цитирования:
Овчинников Н.Л., Виноградов Н.М., Гордина Н.Е., Бутман М.Ф. Применение активирующих воздействий в получении TiO2-пилларного монтмориллонита с улучшенными фотокаталитическими свойствами. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 5. С. 59-71. DOI: 10.6060/ivkkt.20236605.6798.
Литература
Yamashita H., Li H. Nanostructured Photocatalysts: Advanced Functional Materials. Switzerland: Springer Internat. Publ. 2016. 544 p. DOI: 10.1007/978-3-319-26079-2.
Opra D.P., Sokolov A.A., Sinebryukhov S.L., Tkachenko I.A., Ziatdinov A.M., Gnedenkov S.V. Synthesis, electronic structure, and magnetic properties of nano-crystalline oxygen-deficient TiO2–δ(B). ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 73-83. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6666.
Medvedeva I.V., Medvedeva O.M., Studenok A.G., Stu-denok G.A., Tseytlin E.M. New composite materials and processes for chemical, physico-chemical and biochemical technologies of water purification. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 6-27. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6538.
Dong H., Zeng G., Tang L., Fan C., Zhang C., He X., He Y. An overview on limitations of TiO2-based particles for photocatalytic degradation of organic pollutants and the corresponding countermeasures. Water Res. 2015. V. 79. P. 128-146. DOI: 10.1016/j.watres.2015.04.038.
Mishra A, Mehta A., Basu S. Clay supported TiO2 nano-particles for photocatalytic degradation of environmental pollutants: A review. J. Env. Chem. Eng. 2018. V. 6. N 5. P. 6088-6107. DOI: 10.1016/j.jece.2018.09.029.
Szczepanik B. Photocatalytic degradation of organic contaminants over clay-TiO2 nanocomposites: A review. Appl. Clay Sci. 2017. V. 141. P. 227-239. DOI: 10.1016/j.clay.2017.02.029.
Vicente M.A., Gil A., Bergaya F. Pillared Clays and Clay Minerals. In: Handbook of Clay Science (Developments in Clay Science). Amsterdam: Elsevier Ltd. 2013. V. 5A. P. 523-557. DOI: 10.1016/B978-0-08-098258-8.00017-1.
Zhang Y., Miao B., Chen Q., Bai Z., Cao Y., Davaa B. Synthesis, Structure, and Photocatalytic Activity of TiO2-Montmorillonite Composites. Catalysts. 2022. V. 12. P. 486. DOI: 10.3390/catal12050486.
Tao E, Xinyu X., Shuyi Y. A new synthesizing method of TiO2 with montmorillonite: Effective photoelectron transfer to degrade Rhodamine B. Sep. Purif. Technol. 2021. V. 258. Pt. 2. P. 118070. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.118070.
Dao T., Ha T., Nguyen T. D., Le H. N., Ha-Thuc C.N., Nguyen T., Perre P., Nguyen D.M. Effectiveness of photo-catalysis of MMT-supported TiO2 and TiO2 nanotubes for rhodamine B degradation. Chemosphere. 2021. V. 280. P. 130802. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.130802.
Brigatti M.F., Galan E., Theng B.K.G. Structure and Mineralogy of Clay Minerals. In: Handbook of Clay Science. Elsevier. 2013. V. 5. P. 21-81. DOI: 10.1016/B978-0-08-098258-8.00002-X.
Schoonheydt R.A., Pinnavaia T., Lagaly G., Gangas N. Pillared Clays and Pillared Layered Solids. Pure Appl. Chem. 1999. V. 71. N. 12. P. 2367-2371. DOI:10.1351/pac199971122367.
Kon'kova T.V., Alekhina M.B., Mikhailichenko A.I., Kandelaki G.I., Morozov A.N. Adsorption properties of pillared clays. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2014. V. 50. N 3. P. 326-330. DOI: 10.1134/S2070205114030083.
Fatimah I. Composite of TiO2-montmorillonite from Indo-nesia and Its photocatalytic Properties in Methylene Blue and E.coli Reduction. J. Mater. Environ. Sci. 2012. V. 3. N 5. P. 983-992.
Kochkina N.E., Agafonov A.V., Vinogradov A.V., Ka-rasev N.S., Ovchinnikov N.L. Butman M.F. Photocatalytic Activity of Biomorphic TiO2 Fibers Obtained by Ultra-sound-Assisted Impregnation of Cellulose with Titanium Polyhydroxocomplexes. ACS Sust. Chem. Eng. 2017. V. 5. N 6. P. 5148-5155. DOI:10.1021/acssuschemeng.7b00504.
Zhang G.K., Ding X.M., He F.S., Yu X.Y., Zhou J., Hu Y.J., Xie J.W. Low-Temperature Synthesis and Photocatalytic Activity of TiO2 Pillared Montmorillonite. Langmuir. 2008. V. 28. N 3. P. 1026-1030. DOI: 10.1021/la702649v.
Butman M.F., Ovchinnikov N.L., Karasev N.S., Kochkina N.E., Agafonov A.V., Vinogradov A.V. Photo-catalytic and adsorption properties of TiO2-pillared montmo-rillonite obtained by hydrothermally activated intercalation of titanium polyhydroxo complexes. Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. P. 364-378. DOI: 10.3762/bjnano.9.36.
Ovchinnikov N.L., Arbuznikov V.V., Kapinos, A.P., Belozerov A.G., Butman M.F. Effect of mechanical activation of montmorillonite on the intercalation efficiency of polyhydroxyaluminum cations in the formation of pillar structure. Nanotechnol. Russ. 2015. V. 10. P. 254-260. DOI: 10.1134/S1995078015020159.
Butman M.F., Karasev N.S., Ovchinnikov N.L., Vinogradov A.V. Al30-pillared montmorillonite with en-hanced textural properties due to preliminary mechanical treatment. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn.Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 12. P. 45-50. DOI:10.6060/ivkkt.20196212.5935.
Nasedkin V.V. Dash-Salakhli bentonite deposit (formation and prospects of development). М.: GEOS. 2008. 85 p. (in Russian).
Sterte J. Synthesis and Properties of Titanium Oxide Cross-Linked Montmorillonite. Clays Clay Miner. 1986. V. 34. P. 658-664. DOI: 10.1346/CCMN.1986.0340606.
Bahranowski K., Włodarczyk W., Wisła-Walsh E., Gaweł A., Matusik J., Klimek A., Gil, B., Michalik-Zym A., Dula R., Socha R.P., Serwicka E.M. [Ti, Zr]-pillared montmorillonite – A new quality with respect to Ti- and Zr-pillared clays. Micropor. Mesopor. Mater. 2015. V. 202. P. 155-164. DOI: 10.1016/j.micromeso..09.055.
Schoonheydt R.A., Jacobs K.Y. Chapter 6 Clays: From Two to Three Dimensions. In: Introduction to Zeolite Science and Practice. Amsterdam: Elsevier Science B.V. 2001. P. 299-343. DOI:10.1016/S0167-2991(01)80249-4.
Chen X., Xue Z., Yao Y., Wang W. Zhu F., Hong C. Oxidation Degradation of Rhodamine B in Aqueous by UV/S2O82- Treatment System. Int. J. Photoenergy. 2012. V. 2012. Art. ID 754691. DOI: 10.1155/2012/754691.
Ooka C., Yoshida H., Suzuki K., Hattori T. Highly hydrophobic TiO2 pillared clay for photocatalytic degradation of organic compounds in water. Micropor. Mesopor. Mater. 2004. V. 67. P. 143-150. DOI: 10.1016/j.micromeso.2003.10.011.
Kaneko T., Shimotsuma H., Kajikawa M., Hatamachi T., Kodama T, Kitayama Y. Synthesis and Photocatalytic Activity of Titania Pillared Clays. J. Porous Mater. 2001. V. 8. P. 295-301. DOI: 10.1023/A:1013165014982.
Sahel K., Bouhent M., Belkhadem F., Ferchichi M., Dappozze F., Guillard C., Figueras F. Photocatalytic deg-radation of anionic and cationic dyes over TiO2 P25, and Ti-pillared clays and Ag-doped Ti-pillared clays. Appl. Clay Sci. 2014. V. 95. P. 205-210. DOI: 10.1016/j.clay.2014.04.014.
Zheng Y., Shi E., Li W., Chen Z., Zhong W., Hu X. The formation of titania polymorphs under hydrothermal condition. Sci. China, Ser. E: Technol. Sci. 2002. V. 45. N 2. P. 120-129. DOI: 10.1360/02ye9015.
Zuo S., Ding M., Tong J., Feng L., Qi C. Study on the preparation and characterization of a titanium-pillared claysupported CrCe catalyst and its application to the degradation of a low concentration of chlorobenzene. Appl. Clay Sci. 2015. V. 105-106. P. 118-123. DOI: 10.1016/j.clay.2014.12.033.
Spurr R.A., Myers H. Quantitative analysis of anatase-rutile mixtures with an X-Ray diffractometr. Anal. Chem. 1957. V. 29. N 5. P. 760-762. DOI: 10.1021/ac60125a006.
Langford J.I., Wilson A.J.C. Scherrer after Sixty Years: A Survey and Some New Results in the Determination of Crystallite Size. J. Appl. Cryst. 1978. V. 11. V. 102. P. 102-103. DOI: 10.1107/S0021889878012844.
Buckley H.E. Crystal Growth. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1951. 571 p.
Wang X., Sø L., Su R., Wendt S., Hald P., Mamakhel A., Yang C., Huang Y., Iversen B., Besenbacher F. The influence of crystallite size and crystallinity of anatase nano-particles on the photo-degradation of phenol. J. Catal. 2014. V. 310. P. 100-108. DOI: 10.1016/j.jcat.2013.04.022.
Сhen W.T., Chan A., Jovic V. The roles of metal cocatalysts and reaction media in photocatalytic hydrogen production: Performance evaluation of M/TiO2 photocatalysts (M = Pd, Pt, Au) in different alcohol–water mixtures. Top. Catal. 2015. V. 58. P. 355-367. DOI: 10.1016/j.jcat.2015.06.005.
Wang X., Kafizas A., Li X., Moniz S.J.A., Braedon P.J.T., Tang J., Parkin I.P., Durrant J.R. Transient Absorption Spectroscopy of Anatase and Rutile: The Impact of Morphology and Phase on Photocatalytic Activity. JPCC. 2015. V. 119. P. 10439-10447. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b01858.
Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W., Moscou L., Pierotti R.A., Rouquérol J., Siemieniewska T. Reporting physisorption data forgas/solid systems with Special Refer-ence to the Determination of Surface Area and Porosity. Pure Appl. Chem. 1985. V. 57. N 4. P. 603-619. DOI: 10.1351/pac198557040603.
Cool P., Zhu H. Y., Cassiers K., Vansant E.F. Novel strategies towards mesoporous titania and titania-silicate composites. Stud. Surf. Sci. Catal. 2004. V. 154 (A). P. 789-796. DOI: 10.1016/S0167-2991(04)80886-3.
Auerbach S.M., Carrado K.A., Dutta P.K. Handbook of Layered Materials. New York, U.S.A.: Marcel-Dekker Inc. 2004. DOI: 10.1201/9780203021354.
Lagergren S.K. Removal of Fluoride from Water Using Mesoporous MCM-41: An Optimization Approach Using Response Surface Methodology (RSM). Svenska Vetenskapsakad, Hand, Band. 1898. V. 24. Pt. 3. P. 1-39.
Ho Y.S., Mckay G. The Kinetics of Sorption of Basic Dyes fi-om Aqueous Solution by Sphagnum Moss Peat. Can. J. Chem. Eng. 1998. V. 76. N 4. P. 822-827. DOI: 10.1002/cjce.5450760419.
Murashkina A.A., Rudakova A.V., Kataeva G.V., Ryabchuk V.K. Dependence of the speed of photocatalytic reactions on the light intensity. Fundamental. Issled. 2014. N 12-2. P. 276-279 (in Russian).
Titov V.V., Michaylov R.V., Lisachenko A.A. Spectral features of photostimulated oxygen isotope exchange and no adsorption on "self-sensitized" TiO2-x/TiO2 in UV-vis region. J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. N 38. P. 21986-21994. DOI: 10.1021/jp505021a.
Skurikhina O., Tóthová E., Markovic S., Senna M. Modification of TiO2 and ZnO Particles Under Mechanical Stress with Polypropylene. In: Nanoscience and Nanotechnology in Security and Protection against CBRN Threats. Springer. 2020. P. 209-213. DOI: 10.1007/978-94-024-2018-0_16.
Nakamura I., Negishi N., Kutsuna S., Ihara T., Sugihara S., Takeuchi K. Role of oxygen vacancy in the plasma-treated TiO2 photocatalyst with visible light activity for NO removal. J. Mol. Catal. A: Chem. 2000. V. 161. N 1–2. P. 205-212. DOI: 10.1016/S1381-1169(00)00362-9.
Gu X., Luo Y., Li Q., Wang R., Fu S., Lv X., He Q., Zhang Y., Yan Q., Xu X., Ji F., Qiu Y. First-Principle Insight Into the Effects of Oxygen Vacancies on the Electronic, Photocatalytic, and Optical Properties of Monoclinic Bi-VO4(001). Front. Chem. 2020 V. 8. P. 601983. DOI: 10.3389/fchem.2020.601983.
Patzsch J., Berg B., Bloh J.Z. Kinetics and Optimization of the Photocatalytic Reduction of Nitrobenzene. Front. Chem. 2019. V. 7. Art. ID. 289. DOI: 10.3389/fchem.2019.00289.
Badvi K., Javanbakht V.J. Enhanced photocatalytic degra-dation of dye contaminants with TiO2 immobilized on ZSM-5 zeolite modified with nickel nanoparticles. Clean Prod. 2021. V. 280. Pt. 2. P. 124518. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.124518.
Silin' A.R., Truhin A.N. Point defects and elementary exci-tations in crystalline and glassy SiO2. Riga: Zinatne. 1985. 244 p. (in Russian).
