mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.11.1758-1769mgssuvest-427Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringИсследование механизма фотокаталитической активности оксида цинка в присутствии синтетического цеолитаStudy of the mechanism of photocatalytic activity of zinc oxide in the presence of synthetic zeolitehttps://orcid.org/0000-0001-7532-0074ЛоганинаВ. И.LoganinaV. I.

Валентина Ивановна Логанина — доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой управления качеством и технологий строительного производства

440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, д. 28

РИНЦ AuthorID: 369481, Scopus: 6602801860, ResearcherID: N-5558-2015

Valentina I. Loganina — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Quality Management and Construction Production Technologies

28 German Titov st., Penza, 440028

RSCI AuthorID: 369481, Scopus: 6602801860, ResearcherID: N-5558-2015

loganin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4861-7352РыжовА. Д.RyzhovA. D.

Антон Дмитриевич Рыжов — старший преподаватель кафедры информационно-вычислительных систем

440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, д. 28

РИНЦ AuthorID: 818457, Scopus: 56500199300

Anton D. Ryzhov — senior lecturer of the Department of Information and Computing Systems

28 German Titov st., Penza, 440028

RSCI AuthorID: 818457, Scopus: 56500199300

penza48@yandex.ruПронинИ. А.ProninI. A.

Игорь Александрович Пронин — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нано- и микроэлектроники

440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40

Igor A. Pronin — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Nano- and Microelectronics

40 Krasnaya st., Penza, 440026

nano-micro@pnzgu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8318-8149КармановА. А.KarmanovA. A.

Андрей Андреевич Карманов — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры нано- и микроэлектроники

440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40

РИНЦ AuthorID: 652871, Scopus: 55597544400, ResearcherID: S-5175-2016

Andrej A. Karmanov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Nano- and Microelectronics

40 Krasnaya st., Penza, 440026

RSCI AuthorID: 652871, Scopus: 55597544400, ResearcherID: S-5175-2016

starosta07km@mail.ruЯкушоваН. Д.YakushovaN. D.

Надежда Дмитриевна Якушова — кандидат технических наук, доцент кафедры нано- и микроэлектроники

440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40

Nadezhda D. Yakushova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Nano- and Microelectronics

40 Krasnaya st., Penza, 440026

nano-micro@pnzgu.ruПензенский государственный университет архитектуры и строительства (ПГУАС)РоссияPenza State University of Architecture and Construction (PSUAC)Russian FederationПензенский государственный университет (ПГУ)РоссияPenza State UniversityRussian Federation202429112024191117581769Copyright © Логанина В.И., Рыжов А.Д., Пронин И.А., Карманов А.А., Якушова Н.Д., 20242024Логанина В.И., Рыжов А.Д., Пронин И.А., Карманов А.А., Якушова Н.Д.Loganina V.I., Ryzhov A.D., Pronin I.A., Karmanov A.A., Yakushova N.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/427Введение

Введение. Исследованы закономерности изменения фотокаталитической активности оксида цинка ZnO в присутствии синтетического цеолита. Приведены сведения о фотокаталитических свойствах поверхности известкового покрытия на основе состава с добавкой оксида цинка и синтетического цеолита.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использован комплекс общенаучных методов исследования. При разработке рецептуры отделочного состава применяли известь с активностью 83 %. В качестве синтетического цеолита — алюмосиликатную добавку, полученную добавлением микродисперсных порошков алюминия в натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,9 при температуре 60 °С в течение 90 мин. Фотокаталитическая активность ZnO с применением синтетического цеолита изучалась путем фотодеструкции красителя метиленового синего под действием УФ-света. Использованы методы, представленные в научно-технической литературе. Спектроскопические исследования образцов проводили на ИК-Фурье-спектрометре ФСМ 1201 (ООО «Инфраспек», Россия) и спектрофотометре СФ-56.

Результаты

Результаты. Установлено повышение фотокаталитических свойств поверхности известкового покрытия на основе состава с применением оксида ZnO и синтетического цеолита. Определена оптическая ширина запрещенной зоны ZnO. Выявлено, что оптическая ширина запрещенной зоны оксида цинка в сочетании с синтетическим цеолитом составляет 2,96 и 2,70 эВ, что существенно меньше значения 3,37 эВ, характерного для оксида цинка.

Выводы

Выводы. Для придания самоочищающихся свойств известкового покрытия предложено вводить в рецептуру фотокатализатор оксид цинка совместно с добавкой на основе синтетического цеолита.

Introduction

Introduction. The regularities of changes in the photocatalytic activity of zinc oxide ZnO in the presence of synthetic zeolite are investigated. The data on the photocatalytic properties of the surface of lime coating based on the composition with the addition of zinc oxide and synthetic zeolite are presented.

Materials and methods

Materials and methods. A complex of general scientific research methods was used. Lime with activity of 83 % was used in the development of the formulation of the finishing composition. An aluminosilicate additive was used as a synthetic zeolite, obtained by adding microdispersed aluminum powders to sodium liquid glass with silicate module of 2.9 at a temperature of 60 °C for 90 minutes. The photocatalytic activity of ZnO using synthetic zeolite was studied by photodegradation of methylene blue dye under the action of UV light. The methods presented in the scientific and technical literature were used. Spectroscopic studies of the specimens were carried out on an FSM 1201 IR Fourier spectrometer (LLC “Infraspek”, Russia) and an SF-56 spectrophotometer.

Results

Results. An increase in the photocatalytic properties of the surface of a lime coating based on a composition using ZnO oxide and synthetic zeolite was established. The optical band gap of ZnO was determined. It was revealed that the optical band gap of zinc oxide in combination with synthetic zeolite is 2.96 and 2.70 eV, which is significantly less than the value of 3.37 eV characteristic of zinc oxide.

Conclusions

Conclusions. To impart self-cleaning properties to lime coatings, it is proposed to introduce zinc oxide into the formulation of the photocatalyst together with an additive based on synthetic zeolite.

фотокатализоксид цинкасинтетический цеолитизвестковое покрытиеУФ-облучениеоптическая ширина запрещенной зонылегирование цинкаphotocatalysiszinc oxidesynthetic zeolitelime coatingUV irradiationoptical band gapzinc dopingReferencesTolstoy A.D., Lesovik V.S., Glagolev E.S., Vodopyanov I.O. Self-restoration hardening systems of high-strength concrete of a new generation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 560. Issue 1. P. 012156. DOI: 10.1088/1757-899x/560/1/012156Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Glagolev E.S., Vodopyanov I.O. Self-restoration hardening systems of high-strength concrete of a new generation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019; 560(1):012156. DOI: 10.1088/1757-899x/560/1/012156Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2015. Т. 7. № 1. С. 18–28. DOI: 10.15828/2075-8545-2015-7-1-18-28. EDN TIXUVD.Falikman V.R., Vainer A.Ya. New high performance nanoadditives for photocatalytic concrete: synthesis and study. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal. 2015; 7(1):18-28. DOI: 10.15828/2075-8545-2015-7-1-18-28. EDN TIXUVD. (rus.).Лукутцова Н.П., Постникова О.А., Соболева Г.Н., Ротарь Д.В., Оглоблина Е.В. Фотокаталитическое покрытие на основе добавки нанодисперсного диоксида титана // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 5–8. EDN VCIDUF.Lukuttsova N.P., Postnikova O.A., Soboleva G.N., Rotar’ D.V., Ogloblina E.V. Photo-catalytic pavement on the basis of additive of nano-disperse titanium dioxide. Construction Materials. 2015; 11:5-8. EDN VCIDUF. (rus.).Фаликман В.Р. Фотокаталитически активные строительные материалы с наночастицами диоксида титана — новая концепция улучшения экологии мегаполисов. М. : МГСУ, 2015. 49 с.Falikman V.R. Photocatalytically active building materials with titanium dioxide nanoparticles — a new concept for improving the ecology of megacities. Moscow, MGSU, 2015; 49. (rus.).Kiriakidou F., Kondarides D.I., Verykios X.E. The effect of operational parameters and TiO2-doping on the photocatalytic degradation of azo-dyes // Catalysis Today. 1999. Vol. 54. Issue 1. Рр. 119–130. DOI: 10.1016/s0920-5861(99)00174-1Kiriakidou F., Kondarides D.I., Verykios X.E. The effect of operational parameters and TiO2-doping on the photocatalytic degradation of azo-dyes. Catalysis Today. 1999; 54(1):119-130. DOI: 10.1016/s0920-5861(99)00174-1Umebayashi T., Yamaki T., Itoh H., Asai K. Analysis of electronic structures of 3d transition metal-doped TiO2 based on band calculations // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2002. Vol. 63. Issue 10. Рр. 1909–1920. DOI: 10.1016/s0022-3697(02)-00177-4Umebayashi T., Yamaki T., Itoh H., Asai K. Analysis of electronic structures of 3d transition metal-doped TiO2 based on band calculations. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2002; 63(10):1909-1920. DOI: 10.1016/s0022-3697(02)00177-4Степанов А.Ю., Сотникова Л.В., Владимиров А.А., Дягилев Д.В., Ларичев Т.А., Пугачев B.М. и др. Синтез и исследование фотокаталитических свойств материалов на основе TiO2 // Вестник КемГУ. 2013. № 2–1 (54). С. 249–255. EDN OLMIVS.Stepanov A.Yu., Sotnikova L.V., Vladimirov A.A., Dyagilev D.V., Larichev T.A., Pugachev V.M. et al. Synthesis and research of photocatalytic properties of TiO2 based materials. Bulletin of Kemerovo State University. 2013; 2-1(54):249-255. EDN OLMIVS. (rus.).Самченко С.В., Козлова И.В., Коршунов А.В., Земскова О.В., Дударева М.О., Агафонова Н.З. Исследование физико-механических и фотокаталитических свойств цементных композитов, модифицированных промышленным диоксидом титана // Техника и технология силикатов. 2023. Т. 30. № 2. С. 152–161. EDN LFEMUW.Samchenko S.V., Kozlova I.V., Korshunov A.V., Zemskova O.V., Dudareva M.O., Agafonova N.Z. Investigation of physico-mechanical and photocatalytic properties of cement composites modified with industrial titanium dioxide. Technique and Technology of Silicates. 2023; 30(2):152-161. EDN LFEMUW. (rus.).Козлова И.В., Земскова О.В., Самченко С.В., Дударева М.О. Варианты синтеза фотокаталитически активной добавки для цементных систем // Техника и технология силикатов. 2023. Т. 30. № 3. С. 206–216. EDN HJAAJE.Kozlova I.V., Zemskova O.V., Samchenko S.V., Dudareva M.O. Methods of synthesis of a photoctalytic additive for cement systems. Technique and Technology of Silicates. 2023; 30(3):206-216. EDN HJAAJE. (rus.).Samchenko S.V., Kozlova I.V., Korshunov A.V., Zemskova O.V., Dudareva M.O. Synthesis and evaluation of properties of an additive based on bismuth titanates for cement systems // Materials. 2023. Vol. 16. Issue 18. P. 6262. DOI: 10.3390/ma16186262Samchenko S.V., Kozlova I.V., Korshunov A.V., Zemskova O.V., Dudareva M.O. Synthesis and Evaluation of Properties of an Additive Based on Bismuth Titanates for Cement Systems. Materials. 2023; 16(18):6262. DOI: 10.3390/ma16186262Лашкова Н.А., Максимов А.И., Рябко А.А., Бобков А.А., Мошников В.А., Теруков Е.И. Синтез наноструктур на основе оксида цинка для создания гетероструктурных фотовольтаических элементов // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. № 9. С. 1276–1282. EDN XAXUWV.Lashkova N.A., Maximov A.I., Ryabko A.A., Bobkov A.A., Moshnikov V.A., Terukov E.I. Synthesis of ZNO-based nanostructures for heterostructure photovoltaic cells. Semiconductors. 2016; 50(9):1276-1282. EDN XAXUWV. (rus.).Аверин И.А., Пронин И.А., Якушова Н.Д., Карманов А.А., Сычев М.М., Вихман С.В. и др. Анализ структурной эволюции порошков оксида цинка, полученных методом механического высокоэнергетического размола // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 9. С. 1406–1411. DOI: 10.21883/JTF.2019.09.48067.437. EDN OHCSAR.Averin I.A., Pronin I.A., Yakushova N.D., Karmanov A.A., Moshnikov V.A., Sychev M.M. et al. Analysis of the structural evolution of zinc oxide powders obtained by mechanical high-energy grinding. Technical Physics. 2019; 89(9):1406-1411. DOI: 10.21883/JTF.2019.09.48067.437. EDN OHCSAR. (rus.).Nikazar M., Alizadeh M., Lalavi R., Rostami M.H. The optimum conditions for synthesis of Fe3O4/ZnO core/shell magnetic nanoparticles for photodegradation of phenol // Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2014. Vol. 12. Issue 1. DOI: 10.1186/2052-336x-12-21Nikazar M., Alizadeh M., Lalavi R., Rostami M.H. The optimum conditions for synthesis of Fe3O4/ZnO core/shell magnetic nanoparticles for photodegradation of phenol. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2014; 12(1). DOI: 10.1186/2052-336x-12-21Elshypany R., Selim H., Zakaria K., Moustafa A.H., Sadeek S.A., Sharaa S.I. et al. Elaboration of Fe3O4/ZnO nanocomposite with highly performance photocatalytic activity for degradation methylene blue under visible light irradiation // Environmental Technology & Innovation. 2021. Vol. 23. P. 101710. DOI: 10.1016/j.eti.2021.101710Elshypany R., Selim H., Zakaria K., Moustafa A.H., Sadeek S.A., Sharaa S.I. et al. Elaboration of Fe3O4/ZnO nanocomposite with highly performance photocatalytic activity for degradation methylene blue under visible light irradiation. Environmental Technology & Innovation. 2021; 23:101710. DOI: 10.1016/j.eti.2021.101710Губарева Е.Н., Баскаков П.С., Строкова В.В., Лабузова М.В. Особенности структуры золей диоксида титана и морфологии пленок на их основе // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2019. № 48 (74). С. 78–83. EDN KFLTUQ.Gubareva E.N., Baskakov P.S., Strokova V.V., Labuzova M.V. Features of the structure of sols of titanium dioxide and morphology of the films based on them. News of the St. Petersburg State Technological Institute (Technical University). 2019; 48(74):78-83. EDN KFLTUQ. (rus.).Zhang J., Liu Z. Fabrication and characterization of Eu2+-doped lanthanum-magnesium-gallium/TiO2-based composition as photocatalytic materials for cement concrete-related methyl orange (MO) degradation // Ceramics International. 2019. Vol. 45. Issue 8. Рр. 10342–10347. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.02.090Zhang J., Liu Z. Fabrication and characterization of Eu2+-doped lanthanum-magnesium-gallium/TiO2-based composition as photocatalytic materials for cement concrete-related methyl orange (MO) degradation. Ceramics International. 2019; 45(8):10342-10347. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.02.090Sreethawong T., Suzuki Y., Yoshikawa S. Photocatalytic evolution of hydrogen over mesoporous TiO2 supported NiO photocatalyst prepared by single-step sol-gel process with surfactant template // International Journal of Hydrogen Energy. 2005. Vol. 30. Issue 10. Рр. 1053–1062. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2004.09.007Sreethawong T., Suzuki Y., Yoshikawa S. Photocatalytic evolution of hydrogen over mesoporous TiO2 supported NiO photocatalyst prepared by single-step sol-gel process with surfactant template. International Journal of Hydrogen Energy. 2005; 30(10):1053-1062. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2004.09.007Li G., Mang C., Xing L., Cao P., Cai Y., Luo J. et al. Surfactant-assisted synthesis of Mo-doped TiO2/FAC (fly ash cenosphere) for degradation of methylene blue dye under visible light irradiation // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. Vol. 651. P. 129669. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2022.129669Li G., Mang C., Xing L., Cao P., Cai Y., Luo J. et al. Surfactant-assisted synthesis of Mo-doped TiO2/FAC (fly ash cenosphere) for degradation of methylene blue dye under visible light irradiation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022; 651:129669. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2022.129669Yan Y., Li C., Wu Y., Gao J., Zhang Q. From isolated Ti-oxo clusters to infinite Ti-oxo chains and sheets: Recent advances in photoactive Ti-based MOFs // Journal of Materials Chemistry A. 2020. Vol. 8. Issue 31. Рр. 15245–15270. DOI: 10.1039/d0ta03749dYan Y., Li C., Wu Y., Gao J., Zhang Q. From isolated Ti-oxo clusters to infinite Ti-oxo chains and sheets: Recent advances in photoactive Ti-based MOFs. Journal of Materials Chemistry A. 2020; 8(31):15245-15270. DOI: 10.1039/d0ta03749dCheng W., Li C., Ma X., Yu L., Liu G. Effect of SiO2-doping on photogenerated cathodic protection of nano-TiO2 films on 304 stainless steel // Materials & Design. 017. Vol. 126. Рр. 155–161. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.04.041Cheng W., Li C., Ma X., Yu L., Liu G. Effect of SiO2-doping on photogenerated cathodic protection of nano-TiO2 films on 304 stainless steel. Materials & Design. 2017; 126:155-161. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.04.041Liu W., Li C., Mao J., Hu L., Li M., Yun Y. et al. Synergistic effect of xSi-TiO2 ceramic membrane on photocatalytic oxidation and water vapor recovery of high humidity NO // Separation and Purification Technology. 2023. Vol. 318. P. 123928. DOI: 10.1016/j.seppur.2023.123928Liu W., Li C., Mao J., Hu L., Li M., Yun Y. et al. Synergistic effect of xSi-TiO2 ceramic membrane on photocatalytic oxidation and water vapor recovery of high humidity NO. Separation and Purification Technology. 2023; 318:123928. DOI: 10.1016/j.seppur.2023.123928Viezbicke B.D., Patel S., Davis B.E., Birnie D.P. Evaluation of the Tauc method for optical absorption edge determination: ZnO thin films as a model system // Physica status solidi (b). 2015. Vol. 252. Issue 8. Рр. 1700–1710. DOI: 10.1002/pssb.201552007Viezbicke B.D., Patel S., Davis B.E., Birnie D.P. Evaluation of the Tauc method for optical absorption edge determination: ZnO thin films as a model system. Physica status solidi (b). 2015; 252(8):1700-1710. DOI: 10.1002/pssb.201552007Loganina V.I., Ryzhov A.D. Structure and properties of synthesized additive based on amorphous aluminosilicates // Case Studies in Construction Materials. 2015. Vol. 3. Рр. 132–136. DOI: 10.1016/j.cscm.2015.10.005Loganina V.I., Ryzhov A.D. Structure and pro-perties of synthesized additive based on amorphous aluminosilicates. Case Studies in Construction Materials. 2015; 3:132-136. DOI: 10.1016/j.cscm.2015.10.005Loganina V.I., Ryzhov A.D. Properties of limy composites with the addition aluminosilicates // Contemporary Engineering Sciences. 2015. Vol. 8. Рр. 409–413. DOI: 10.12988/ces.2015.5237Loganina V.I., Ryzhov A.D. Properties of limy composites with the addition aluminosilicates. Contemporary Engineering Sciences. 2015; 8:409-413. DOI: 10.12988/ces.2015.5237Loganina V.I., Skachkov Y.P., Ryzhov A.D. Additive based on aluminosilicates for lime dry mortar mixes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 441. P. 012028. DOI: 10.1088/1757-899x/441/1/012028Loganina V.I., Skachkov Y.P., Ryzhov A.D. Additive based on aluminosilicates for lime dry mortar mixes. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 441:012028. DOI: 10.1088/1757-899x/441/1/012028Loganina V.I., Makarova L.V., Tarasov R.V., Ryzhov A.D. The limy composite binder with the use of the synthesized aluminosilicates // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 662. Рр. 11–14. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amm.662.11Loganina V.I., Makarova L.V., Tarasov R.V., Ryzhov A.D. The limy composite binder with the use of the synthesized aluminosilicates. Applied Mechanics and Materials. 2014; 662:11-14. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amm.662.11Ellerbrock R., Stein M., Schaller J. Comparing amorphous silica, short-range-ordered silicates and silicic acid species by FTIR // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. Issue 1. DOI: 10.1038/s41598-022-15882-4Ellerbrock R., Stein M., Schaller J. Comparing amorphous silica, short-range-ordered silicates and silicic acid species by FTIR. Scientific Reports. 2022; 12(1). DOI: 10.1038/s41598-022-15882-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.