Исследование механизма фотокаталитической активности оксида цинка в присутствии синтетического цеолита

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

1. Tolstoy 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/560/1/012156

2. Фаликман 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.

3. 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.

4. Фаликман В.Р. Фотокаталитически активные строительные материалы с наночастицами диоксида титана — новая концепция улучшения экологии мегаполисов. М. : МГСУ, 2015. 49 с.

5. 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)00174-1

6. Umebayashi 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)-00177-4

7. Степанов 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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/ma16186262

11. Лашкова 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.

12. 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.

13. 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-12-21

14. Elshypany 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.2021.101710

15. Губарева 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.

16. 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.2019.02.090

17. Sreethawong 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.2004.09.007

18. Li 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.2022.129669

19. Yan 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/d0ta03749d

20. Cheng 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.2017.04.041

21. Liu 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.2023.123928

22. Viezbicke 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.201552007

23. Loganina 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.2015.10.005

24. Loganina 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.2015.5237

25. Loganina 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/441/1/012028

26. Loganina 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.662.11

27. Ellerbrock 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/s41598-022-15882-4