Фундаментальное материаловедение

Синтез и исследование свойств мезопористого оксида титана, допированного
ионами металлов
Харламова М.В., Колесник И.В.
студентка
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E–mail: x-mari-mir@yandex.ru
Введение
С недавнего времени особый интерес к мезопористому TiO2 обусловлен его
фотохимической активностью, позволяющей проводить на поверхности полупроводника
окисление органических веществ до углекислого газа и воды. Именно поэтому оксид
титана, являющийся, кроме того, нетоксичным и относительно недорогим материалом,
считается одним из наиболее перспективных фотокатализаторов и может находить
широкое применение для очистки воды и воздуха от вредных для здоровья человека
органических веществ, создания самоочищающихся и антибактериальных покрытий.
Известным способом модифицирования свойств TiO2 является допирование
ионами металлов. При допировании происходит изменение оптических свойств и
микроструктуры оксида титана. Кроме того, допирующие ионы влияют на динамику
электронов и дырок, что может приводить к увеличению фотокаталитической
активности материала.
В связи с этим целью данной работы являлось получение мезопористого оксида
титана, допированного железом, цинком или церием, методом темплатного синтеза с
использованием неионного ПАВ и изучение влияния допирования оксида титана на его
микроструктуру, оптические свойства и фотокаталитическую активность.
Методы
В ходе исследования мезопористый TiO2, допированный железом, цинком или
церием, был получен в результате гидролиза изопропилата титана в присутствии
соответственно нитрата железа, цинка или церия и P123 триблок-сополимера в качестве
темплата. Удаление темплата из образцов проводили путем отжига при 250ºС в токе
кислорода. Синтезированные образцы были охарактеризованы методами РФА, ПЭМ,
низкотемпературной конденсации азота при 77 К и спектроскопии в УФ-видимой
области.
Результаты
Было установлено, что введение ионов металлов в систему TiO2, позволяет
модифицировать морфологию, электронные свойства и фотокаталитическую активность
мезопористого оксида титана. Все полученные образцы состоят из смеси фаз анатаза и
брукита, размер ОКР в допированном оксиде титана составляет 4-7 нм, причем
наблюдается тенденция возрастания размера кристаллитов при увеличении радиуса иона
допирующего металла от 0,64 Å (Fe 3+ ) до 1,01 Å (Ce 3+ ).
Кроме того, при допировании TiO2 ионами металлов происходит уменьшение
энергий прямых переходов (красный сдвиг края полосы поглощения), поскольку вблизи
потолка валентной зоны TiO2 образуется акцепторный примесный уровень, и все
электронные переходы осуществляются между примесным уровнем и зоной
проводимости оксида титана
Допирование оксида титана железом и цинком приводит к повышению его
фотокаталитической активности. Вероятно, ионы Zn 2+ и Fe 3+ , заменяющие в
кристаллической решетке оксида титана ионы Ti 4+ , действуют как ловушки,
захватывающие фотоиндуцированные электроны, тем самым предотвращая их
рекомбинацию с дырками. Допирование TiO2 церием приводит к снижению его
активности, поскольку ионы церия становятся центрами рекомбинации
фотоиндуцированных электронов и дырок.