Determinación de la actividad catalítica de nanopartículas de TiO2 dopado con metal de transición mediante análisis espectroscópico de superficie
Resumen
El TiO 2 modificado Las nanopartículas (NP) para mejorar sus actividades catalíticas al doparlas con los cinco metales de transición (Cr, Mn, Fe, Co y Ni) se han investigado utilizando diversas técnicas de análisis de superficie, como microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía Raman, barrido. microscopía de rayos X de transmisión (STXM) y espectroscopía de fotoemisión de alta resolución (HRPES). Para comparar las actividades catalíticas de estos TiO 2 dopado con metales de transición nanopartículas (TM-TiO 2 ) con los de TiO 2 NPs, monitoreamos su desempeño en la oxidación catalítica de 2-aminotiofenol (2-ATP) usando HRPES y en la oxidación de 2-ATP en solución acuosa tomando medidas electroquímicas (EC). Como resultado, investigamos claramente que el aumento de las estructuras defectuosas inducidas por el metal de transición dopado está estrechamente relacionado con la mejora de las actividades catalíticas de TiO 2 NP y confirme que el TiO 2 dopado con Fe y codopado Los NP pueden actuar como catalizadores eficientes.
Antecedentes
Desde hace varias décadas, se sabe que el óxido de titanio (TiO 2 ) tiene una actividad catalítica eficaz y un coste reducido, por lo que el TiO 2 ha recibido una atención significativa debido a sus diversas aplicaciones en células solares, fotocatálisis y catálisis electroquímica [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Aunque TiO 2 es un material prometedor, el TiO 2 (estructuras de rutilo o anatasa) tiene una banda prohibida relativamente amplia (E g =3.0 ~ 3.2 eV), y este ancho le permite absorber solo luz ultravioleta. Por lo tanto, se han realizado esfuerzos significativos para reducir su banda prohibida y mejorar la actividad catalítica. Por esta razón, una inserción de elementos extraños como dopantes se ha realizado ampliamente para estrechar la banda prohibida desde el elemento de impureza en TiO 2 puede modificar los estados del borde de la banda.
Por lo tanto, nuestra estrategia es insertar metales de transición como dopantes en TiO 2 NP para mejorar el rendimiento catalítico de TiO 2 NP de manera significativa, porque pueden aumentar las estructuras defectuosas de TiO 2 NP, que está estrechamente relacionado con la mejora de la actividad catalítica [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]. Para profundizar en el estudio de investigaciones anteriores [19, 20], realizamos la inserción de varios iones de metales de transición (TM + ) en TiO 2 y luego comparó las actividades catalíticas del TiO 2 NP que contienen los diversos dopantes de metales de transición con esos TiO 2 NP. A partir de esto, podemos evaluar la efectividad de los dopantes de metales de transición para TiO 2 NP y comparar las actividades fotocatalíticas entre varios metales de transición juntos.
En nuestro estudio, fabricamos con éxito los cinco TiO 2 dopado con metal de transición NP (TM-TiO 2 ; TM =Cr, Mn, Fe, Co y Ni) con un proceso de termo-síntesis (ver la sección "Métodos"). Primero comparamos las morfologías y propiedades electrónicas de los cinco TM-TiO 2 con TiO 2 NP mediante el uso de microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia Raman y microscopía de rayos X de transmisión por barrido (STXM). Y luego, evaluamos sus capacidades catalíticas oxidando 2-aminotiofenol (2-ATP) en condiciones de vacío ultra alto (UHV) (una presión base por debajo de 9,5 × 10 −11 Torr) con iluminación de luz UV de 365 nm usando espectroscopia de fotoemisión de alta resolución (HRPES) y cambios de voltamograma cíclico (CV) en la fase de solución usando electroquímica. Estas reacciones y análisis también se realizaron para determinar el mecanismo de la reacción de oxidación catalítica.
Métodos
Preparación de las soluciones precursoras
Preparamos cada solución de precursor con una síntesis de un solo recipiente. Las cantidades deseadas de los dopantes de metales de transición (TM) se agregaron en la forma TM (NO 3 ) x ∙ n H 2 O (nitrato metálico n -hidratar; TM =Cr, Mn, Fe, Co o Ni) como fracciones molares con respecto a TiO 2 (TM / (TM + TiO 2 )), que se utilizaron como dopantes. Todas las sustancias se adquirieron de Sigma-Aldrich. Las soluciones precursoras se agitan durante 10 min. Se adquirieron 2-aminotiofenol (2-ATP, Sigma Aldrich, 97% de pureza) y Nafion (Sigma Aldrich, 5% en peso en un alcohol alifático de bajo peso molecular y agua) de Sigma-Aldrich. Las tabletas de solución salina tamponada con fosfato (PBS) se compran de Gibco.
Preparación del TM-TiO disperso 2 Soluciones
Se diluyó hidróxido de tetrametilamonio (TMAOH) (1,2 g) con agua bidestilada (DDW, 22,25 g). Se diluyó isopropóxido de titanio (TTIP, 3,52 g) con isopropanol (3,5 g). Ambas soluciones se agitaron por separado durante 10 min. Blanco TiO 2 apareció agregando la solución de TTIP gota a gota a la solución de TMAOH a temperatura ambiente. Y luego, se añadieron las cantidades deseadas (5% en moles) de los dopantes de metales de transición a cada solución de gel sintético en un baño de aceite a 80ºC con agitación. Después de aproximadamente 10 minutos, la solución de gel sintético se convirtió en una solución transparente. Las soluciones se transfirieron a autoclaves revestidos de teflón y luego se calentaron a 220 ° C durante 7 h en un horno de convección. El TM-TiO 2 resultante (Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 , Fe-TiO 2 , Co-TiO 2 y Ni-TiO 2 ) se filtraron y lavaron con DDW para eliminar cualquier residuo.
Fabricación de TM-TiO 2 -GCE modificado por Nafion y mediciones electroquímicas de oxidación de 2-ATP
La oxidación electroquímica de 2-ATP se investigó utilizando electrodos de carbono vítreo (GCE) modificados con TM-TiO 2 . Por cada TM, una masa de 4.0 mg de TM-TiO 2 se dispersó en 2,0 ml de agua destilada que contenía 50 μl de Nafion, y luego se mezcló usando un procesador ultrasónico durante 5 min para obtener el TM-TiO 2 homogéneo -Mezcla de nafión. Después de eso, se colocó un volumen de 20 µl de la mezcla en un GCE y se secó a 80 ° C en un horno precalentado durante 30 min. Se obtuvo un voltamograma cíclico (CV) de 0,01 M 2-ATP en PBS para cada TM-TiO 2 -Nafion modificó GCE.
Caracterizaciones
La morfología y la distribución del tamaño de las nanopartículas fabricadas se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM, FEI Inspect F50, operando a 10 kV). Los espectros Raman se obtuvieron usando un espectrómetro (Horiba, ARAMIS) con un Ar + láser de iones CW (514,5 nm). Se obtuvieron resultados de microscopía de rayos X de transmisión por barrido (STXM) con una resolución de 25 nm en la línea de luz 10A del Laboratorio del Acelerador de Pohang (PAL). Se utilizó STXM para obtener pilas de imágenes mediante espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) para obtener el metal de transición dopado L -borde, Ti L -edge y O K espectros de borde. Se llevaron a cabo experimentos de espectroscopia de fotoemisión de alta resolución (HRPES) en un analizador de electrones (SES-100, Gamma-Data Scienta) en la línea de luz 8A2 de PAL para identificar la estructura electrónica. El S 2 p Los espectros a nivel del núcleo se registraron con un analizador de energía de electrones. Se utilizó un GCE con un diámetro de 2 mm como electrodo de trabajo y un alambre de Pt con un diámetro de 1 mm como contraelectrodo, mientras que el electrodo de referencia fue Ag / AgCl (KCl 3 M).
Resultados y discusión
Para obtener caracterizaciones más detalladas de las estructuras electrónicas, en primer lugar obtuvimos el Ti L -edge y O K espectros de adsorción de rayos X de borde (XAS) para TiO 2 NP y los cinco TM-TiO 2 (Fig. 1) utilizando STXM. Las regiones negras de las imágenes insertadas que se muestran en la Fig. 1a-f se originan a partir de TiO 2 NP y TM-TiO 2 . En primer lugar, la forma del e g orbital ubicado en ~ 460 eV para el Ti L 2,3 Los espectros de borde XAS indican la presencia de anatasa TiO 2 típica estructura en todo TiO 2 NP y los cinco TM-TiO 2 [21]. Sin embargo, cuando TiO 2 Los NP están dopados con Fe 3+ (Fig. 1d) y Co 3+ ion (Fig. 1e), la relación de las intensidades de los picos t 2g (457,4 eV) y e g (459 ~ 460 eV) disminuye por debajo de los de la anatasa TiO 2 y otros TM-TiO 2 (Cr-TiO 2 , Mn- TiO 2 y Ni-TiO 2 ), que indica la presencia de un campo cristalino débil o un incremento en el número de átomos de Ti subcoordinados. En otras palabras, estas diferencias se deben a los diferentes dopantes, que producen diferentes estructuras de defectos en las nanopartículas. Los pequeños dobletes a 456.0 y 456.6 eV en estas figuras corresponden al Ti 3+ Expresar; es bien sabido que el dopaje metálico mejora la estructura del defecto superficial [22, 23]. El O K espectros XAS de borde del TiO 2 NP y cinco TM-TiO 2 contienen cuatro picos a 529,9, 532,3, 537,9 y 543,7 eV [24, 25]. Como se mencionó en la introducción, el propósito principal de este estudio es investigar los estados electrónicos del TM-TiO 2 y los efectos sobre sus actividades catalíticas. Curiosamente, el O K Los espectros de borde muestran una estructura electrónica bastante diferente dependiendo de los dopantes de metales de transición. Como se muestra en O K -bordes, los picos se deben a la transición de los O 1 s Estado al desocupado p estado, y del O 2 p estado al O 2 p –Ti 3 d estado orbital híbrido, respectivamente. Las formas e intensidades del O K -picos de borde para Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 y Ni-TiO 2 son muy similares a los de la anatasa TiO 2 NP. Sin embargo, el O K -bordes de Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 indican menos del orbital híbrido (538 y 543 eV) que del O 2 desnudo p transición (532,6 eV). En otras palabras, los orbitales de los dopantes Fe y Co están menos hibridados con el O 2 p orbital que incluye TiO 2 de acuerdo con los espectros, que está relacionado con las actividades catalíticas y se discutirá nuevamente.
Espectros XAS (Ti L 2,3 -edge y O K -edge) y las imágenes apiladas correspondientes para a anatasa TiO 2 , b Cr-TiO 2 , c Mn-TiO 2 , d Fe-TiO 2 , e Co-TiO 2 y f Ni-TiO 2 (5% en moles de TM-TiO 2 NP). El tamaño de la imagen apilada es de 1 μm × 1 μm (la barra de escala es de 200 nm)
También medimos los espectros Raman de TiO 2 NP y los cinco TM-TiO 2 . Como se muestra en la Fig.2, las estructuras electrónicas entre TM-TiO 2 también se encuentran diferentes, en comparación con la anatasa TiO 2 modestamente, de acuerdo con los resultados espectroscópicos Raman. Las seis muestras producen cambios Raman de aproximadamente 395 (B 1g ), 514 (A 1g ) y 636 cm −1 (E g ), e indican la típica anatasa TiO 2 picos [26]. Además, encontramos que cada muestra muestra picos inducidos por metales de transición dopados (Cr 2 O 3 :675,3 cm −1 , MnO:644,5 cm −1 , Fe 2 O 3 :614,2 cm −1 , Co 2 O 3 :657,1 cm −1 y NiO:564,8 cm −1 ). Curiosamente, descubrimos que los iones de metales de transición dopados se transformaron en formas estables de óxido metálico y la intensidad de E g pico de TiO 2 NP fue un poco más bajo para TM-TiO 2 que para anatasa TiO 2 NP. También adquirimos las imágenes SEM (Fig.2) del TiO 2 NP y los cinco TM-TiO 2 para determinar sus morfologías superficiales. Las imágenes SEM muestran que tienen diferentes características estructurales y tamaños. Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 , Fe-TiO 2 , Co-TiO 2 y Ni-TiO 2 tienen formas redondas o rectangulares uniformes con tamaños de ~ 26, ~ 10, ~ 15, ~ 18 y ~ 16 nm, respectivamente. Estos cinco TM-TiO 2 (TM =Cr, Mn, Fe, Co y Ni) son significativamente más pequeños que la anatasa TiO 2 NP (~ 40 nm:Fig. 2a). Por lo tanto, es posible que los iones Cr, Mn, Fe, Co y Ni puedan modificar la estructura del TiO 2 NP y luego pueden actuar como sitios de nucleación que ayudan a la formación de partículas finas.
Los espectros Raman de 5% molar monodisperso TM-TiO 2 : a anatasa TiO 2 , b Cr-TiO 2 , c Mn-TiO 2 , d Fe-TiO 2 , e Co-TiO 2 y f Ni-TiO 2 y las imágenes SEM correspondientes, respectivamente
Para examinar los estados electrónicos modificados inducidos por los dopantes de metales de transición con más detalle, registramos el metal de transición L espectros XAS de borde. La Figura 3a-e revela claramente las estructuras electrónicas de los cinco dopantes de metales de transición que se incluyen en anatasa TiO 2 NP. El espectro en la Fig. 3a con picos en 576.0 y 577.0 eV con un hombro de 578.4-eV coincide con Cr 3+ típico L 3 -resultados de borde para Cr-TiO 2 [27]. El pico agudo en la Fig. 3b a 639.2 eV con una pequeña característica a 640.7 eV coincide con otros Mn 2+ L 3 -resultados de borde [28]. El pico agudo en la Fig. 3c a 708.5 eV con un pico pequeño a 706.6 eV coincide con otros Fe 3+ L 3 -resultados de borde [29, 30]. El doblete en la Fig. 3d en 776.8 y 777.6 eV es el de Co 3+ L 3 -borde [27]. Finalmente, el pico agudo a 850,3 eV en la Fig. 3e con un pico pequeño a 852,2 eV es el típico Ni 2+ L 3 -espectro de borde [30]. Estos resultados establecen los estados electrónicos de los metales de transición dopados:Cr 2 O 3 , MnO, Fe 2 O 3 , Co 2 O 3 y NiO, respectivamente.
El metal de transición dopado L -edge y Ti L espectros XAS de borde de 5% en moles de TM-TiO 2 : a y f Cr-TiO 2 , b y g Mn-TiO 2 , c y h Fe-TiO 2 , d y yo Co-TiO 2 y e y j Ni-TiO 2 . k El gráfico de la relación entre el pico anterior al borde a y t 2g pico para TiO desnudo 2 y los cinco TM-TiO 2
Uno de nuestros objetivos es aclarar las estructuras defectuosas inducidas por dopantes de metales de transición del TM-TiO 2 en este estudio. Como se muestra en la Fig. 3f – j, podemos notar que las intensidades para el Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 de los dos picos previos al borde a 456,7 y 457,4 eV son más altos que los de Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 y Ni-TiO 2 (marcado a) indicando que estos picos se deben a estructuras de defectos superficiales (Ti 3+ estado) [31]. Las proporciones de las intensidades del pico previo al borde (a) y la t 2g los picos son 0.11, 0.127, 0.140, 0.224, 0.238 y 0.113 para TiO 2 , Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 , Fe-TiO 2 , Co-TiO 2 y Ni-TiO 2 , respectivamente (ver Fig. 3k). Este resultado significa que el Ti 3+ el estado está presente en números más altos en Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 .
Tras la confirmación del dopaje con metales de transición mediante el análisis de superficie, investigamos las modulaciones de la banda prohibida tomando los espectros de la banda de valencia como se muestra en la Fig. 4. La anatasa TiO 2 se ha informado que tiene una banda prohibida de ~ 3,2 eV [32]. Como se muestra en los espectros de la banda de valencia de la Fig. 4a, el máximo de la banda de valencia de TM-TiO 2 se desplaza hacia abajo con respecto al nivel de Fermi (E F ) de 3,10 a 1,81 eV (2,56 eV, Cr-TiO 2 ; 2,52 eV, Mn-TiO 2 ; 2,07 eV, Fe-TiO 2 ; 1,81 eV, Co-TiO 2 ; y 2,61 eV, Ni-TiO 2 ). A partir de esto, podemos estimar que el dopaje con metales de transición da lugar a un estrechamiento de la banda prohibida porque el TiO 2 es un material semiconductor de tipo n, y E F en el semiconductor de tipo n se encuentra cerca de la banda de conducción. Reducción de la banda prohibida de TM-TiO 2 ha resultado de la mejora de las estructuras defectuosas.
un Espectros de valencia y b vista ampliada del borde de la banda de valencia de anatasa TiO 2 y los cinco TM-TiO 2 . c La gráfica de los valores máximos de la banda de valencia de TiO 2 y los cinco TM-TiO 2
Como resultado, podemos concluir que los metales de transición dopados forman estructuras defectuosas de TiO 2 NP y luego contribuir a disminuir la banda prohibida en TM-TiO 2 (en especial Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 ). Con esta comprensión de las variaciones de las estructuras y propiedades electrónicas de los cinco TM-TiO 2 , ahora comparamos los efectos del dopaje con metales de transición como un punto de sus actividades catalíticas.
Reacción electroquímica redox en la fase acuosa
Los CV se obtuvieron en una solución de PBS que contenía 2-ATP 0,01 M en varios tipos de GCE irradiados con luz UV de longitud de onda de 365 nm. Como se muestra en la Fig. 5g, se observa una corriente de oxidación lenta en un GCE desnudo debido a la oxidación intrínsecamente lenta del 2-ATP. Para aumentar la corriente asociada con la oxidación de 2-ATP, las GCE modificadas con el TiO 2 y TM-TiO 2 -Los catalizadores Nafion se fabrican y prueban, con los resultados que se muestran en la Fig. 5. Las corrientes asociadas con la oxidación de 2-ATP son 6,9 (± 1,4) μA y 7,1 (± 1,6) μA cuando se utilizan los GCE modificados con el Fe- TiO 2 y Co-TiO 2 , respectivamente, significativamente mayor (es decir, 4.6 y 4.7 veces mayor) que el valor de 2.0 μA observado cuando se usa solo el GCE desnudo (Fig. 5h). Por el contrario, las corrientes generadas al utilizar la anatasa TiO 2 NP, Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 y Ni-TiO 2 son solo 2,7 (± 0,4) μA, 4,4 (± 1,1) μA, 2,8 (± 0,5) μA y 2,9 (± 0,7) μA, respectivamente, que son ligeramente (1,8, 2,9, 1,86 y 1,93 veces) pero no significativamente mayor que el del electrodo desnudo. Estos resultados revelan la importancia del tipo de TM-TiO 2 para catalizar reacciones de oxidación, incluso cuando se utilizan pequeñas cantidades (5% en moles) del metal de transición dopado, e indicar específicamente el Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 para ser buenos catalizadores para la oxidación de 2-ATP.
un - f CV (a una velocidad de exploración de 50 mV / s) en PBS que contiene 0,01 M 2-ATP en un GCE desnudo (líneas negras) o GCE modificados (líneas rojas) con 5% en moles de a anatasa TiO 2 , b Cr-TiO 2 , c Mn-TiO 2 , d Fe-TiO 2 , e Co-TiO 2 y f Ni-TiO 2 . g Se observa una corriente de oxidación lenta en un GCE desnudo debido a la oxidación intrínsecamente lenta del 2-ATP. h Corrientes catalíticas resultantes de la oxidación electroquímica de 2-ATP para los diversos tipos de anatasa TiO 2 y los cinco TM-TiO 2
Oxidación fotocatalítica de 2-ATP
También determinamos las actividades catalíticas directas del TM-TiO 2 en la oxidación de moléculas de 2-ATP. El S 2 p espectros a nivel de núcleo de anatasa TiO 2 y 5% en moles de TM-TiO 2 se obtuvieron con HRPES después de 180 l de exposición a 2-ATP en presencia de oxígeno bajo una iluminación de luz ultravioleta de 365 nm (ver Fig. 6a-f). Estos espectros contienen tres 2 p distintos 3/2 picos a 161,5, 162,9 y 168,6 eV, que se asignan a S1, el estado ilimitado C-SH, S2, el estado unido, y S3, ácido sulfónico (SO 3 H), respectivamente. Es bien sabido que el ácido sulfónico es un producto de oxidación de los grupos tiol [33, 34]. Por lo tanto, podemos monitorear la oxidación de 2-ATP midiendo la relación de las intensidades de los picos S3 y S1. La Figura 6a-f confirma que Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 actúan como fotocatalizadores eficaces. Las proporciones de las intensidades son 0.07, 0.12, 0.10, 0.27, 0.29 y 0.08 para anatasa TiO 2 NP, Cr-TiO 2 , Mn-TiO 2 , Fe-TiO 2 , Co-TiO 2 y Ni-TiO 2 , respectivamente, es decir, las proporciones de Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 también son más altos que los de las otras nanopartículas (ver Fig. 6g). Este resultado está estrechamente relacionado con el número de estructuras defectuosas en el TM-TiO 2 se muestra en la Fig. 3. En las mediciones STXM, confirmamos que Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 contienen más Ti 3+ estados de defecto (es decir, estructuras de defectos superficiales). Por lo tanto, estos resultados indican que aumentar el número de Ti 3+ las estructuras defectuosas están estrechamente relacionadas con la mejora de la actividad catalítica [7]. Como resultado, el Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 , que contienen muchos Ti 3+ estados defectuosos, tienen actividades catalíticas más altas.
(Panel izquierdo) HRPES S 2 p espectros a nivel de núcleo obtenidos después de las oxidaciones catalíticas de 180 L 2-ATP (la exposición a la saturación en nuestro sistema) en anatasa TiO 2 y 5% en moles de TM-TiO 2 ( a TiO 2 , b Cr-TiO 2 , c Mn-TiO 2 , d Fe-TiO 2 , e Co-TiO 2 y f Ni-TiO 2 ). (Panel derecho) g El gráfico de la relación de intensidad entre S3 (- SO 3 H) y S1 (- SH) de anatasa TiO 2 y los cinco TM-TiO 2 , indicando sus actividades catalíticas en la oxidación de 2-ATP, para exposiciones de 180 l bajo luz UV de 365 nm
Por esta razón, podemos considerar tres factores (dependencia del estado de carga, dependencia de la estructura del defecto superficial e hibridación entre los metales de transición dopados y TiO 2 ), que puede provocar la mejora de las actividades catalíticas de TM-TiO 2 . Al principio, el efecto del estado de carga electrónica también se investigó mediante el uso de la medición STXM. Como se muestra en la Fig. 3a-e, confirmamos que los iones de metales de transición Cr, Fe y Co tienen la TM 3+ estados de carga, mientras que Mn y Ni tienen TM 2+ estados de carga. Por lo tanto, podemos concluir que no existe correlación entre los estados de carga electrónica de los dopantes y la actividad catalítica de TM-TiO 2 . En segundo lugar, verificamos la dependencia de la estructura del defecto superficial. Comparando la relación de las intensidades del pico previo al borde (A) y la t 2g pico que se muestra en la Fig.3, confirmamos que el número de estructura de defecto superficial es del orden de Co-TiO 2 > Fe-TiO 2 > Mn-TiO 2 > Cr-TiO 2 > Ni-TiO 2 > TiO 2 . Como se indicó anteriormente, Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 exhiben una clara mejora en la actividad catalítica. Con el aumento de las estructuras de defectos superficiales, las actividades catalíticas de TM-TiO 2 aumento. Al monitorear las proporciones previas al borde, observamos una clara dependencia de la estructura del defecto de la superficie para mejorar la actividad catalítica. En consecuencia, la estructura del defecto superficial solo influye en la mejora de la actividad catalítica de TM-TiO 2 .
Finalmente, otra explicación razonable es que según el O K -edge XAS que se muestra en la Fig.2, aparece una mayor proporción de estados de oxígeno menos hibridados (538 y 543 eV) en Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 que en el otro TM-TiO 2 . Aquellos de transición del metal de transición dopado 3 d al O 2 p El estado desocupado puede facilitar la eliminación de átomos de oxígeno del TiO 2 nanopartículas y mejoran la oxidación catalítica de 2-ATP debido a que el sitio de vacancia de oxígeno de TiO 2 es un sitio activo. En conclusión, dopando el TiO 2 La nanopartícula con Fe o Co produce un mayor aumento en las actividades catalíticas para la oxidación de 2-ATP que el dopaje con Cr, Mn o Ni.
Conclusiones
TM-TiO 2 sintetizados con un método de termo-síntesis se examinaron con diversas técnicas de análisis de superficies. Comparar las actividades catalíticas de los cinco TM-TiO 2 con la anatasa TiO 2 NP, monitoreamos sus efectos sobre la oxidación fotocatalítica de moléculas de 2-ATP mediante el uso de HRPES y la oxidación de 2-ATP mediante el uso de mediciones de CE. Dependiendo de los metales de transición dopados, investigamos claramente que el aumento de las estructuras de defectos y la menor hibridación inducida por los metales de transición dopados afectan las actividades catalíticas mejoradas. En particular, Fe 3+ y Co 3+ Los iones generan discrepancias en el estado de oxidación más efectivas, es decir, más Ti 3+ estructuras defectuosas y transformaciones de superficie que los otros iones metálicos (Cr 3+ , Mn 2+ y Ni 2+ ). Como resultado, descubrimos que las propiedades catalíticas de Fe-TiO 2 y Co-TiO 2 son superiores a los de la anatasa TiO 2 NP y otros TM-TiO 2 (TM =Cr, Mn y Ni).
Abreviaturas
- HRPES:
-
Espectroscopia de fotoemisión de alta resolución
- SEM:
-
Microscopía electrónica de barrido
Nanomateriales
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