Формирование и исследование фотокаталитических пленок диоксида титана, а также их применение в области очистки воды и воздуха

Введение. В настоящее время ведется интенсивный поиск и исследование сред, позволяющих создавать современные газовые сенсоры, а также устройства для очистки воды и воздуха. Среди различных методов очистки воздуха и воды именно фотокатализ занимает перспективное место. Из множества материалов с данным эффектом, благодаря своим свойствам, сильно выделяется диоксид титана. Самый подходящий для получения данного материла метод – реактивное магнетронное распыление.
Цель работы. Изучение влияния параметров метода синтеза на варьирование эффективности фотокатализатора на основе TiO2 для его дальнейшего применения в области очистки воды и использования в качестве газовых сенсоров.
Материалы и методы. В ходе работы были получены две серии по 5 образцов. При получении первой серии варьировалось время напыления (3, 7, 10, 15, 30 мин), а при получении второй – соотношение аргона и кислорода в реактивной смеси (90/10, 70/30, 50/50, 30/70, 10/90 %). Далее каждый образец из обеих серий подвергался облучению в течение 2 ч, а затем исследовался на гидрофильность с помощью прибора ОСА 15 ЕС.
Результаты. По результатам исследования были получены две зависимости, а именно: краевого угла смачивания от времени напыления и угла смачивания от содержания кислорода в реактивной смеси. Было выявлено, что данный метод подходит для получения фотокаталитических пленок диоксида титана. Показано, что при увеличении толщины пленки показатель краевого угла смачивания колеблется в пределах от 37 до 45º. Увеличение времени напыления в 10 раз (3 мин против 30 мин) не вызвало каких-то серьезных различий в фотокаталитических и гидрофильных свойствах двух данных образцов. Экспериментально доказано, что наиболее фотоактивные пленки можно синтезировать при соотношении Ar/O2 90/10 и 10/90 %.
Заключение. Результаты описываемой работы доказывают, что уже на данном этапе разработанную фотокаталитическую пленку диоксида титана вполне можно рекомендовать для решения ряда задач по очистке воды и применения в качестве газовых сенсоров.

1. Ag decorated ZnO nanocrystallines synthesized by a lowtemperature solvothermal method and their application for high response H2 gas sensor / Z. Li, G. Zhang, W. Gao, R. Zhao, Y. Wang // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. Vol. 30, № 20. P. 18959–18969. doi: 10.1007/s10854019022535

2. Sputtered SnO2/ZnO heterostructures for improved NO2 gas sensing properties / B. Sharma, A. Sharma, M. Joshi, J.H. Myung // Chemosensors. 2020. Vol. 8, № 3. Art. № 67. doi: 10.3390/chemosensors8030067

3. Synthesis of polyaniline (printable nanoink) gas sensor for the detection of ammonia gas / P. Dipak, D. C. Tiwari, A. Samadhiya, N. Kumar, T. Biswajit, P. A. Singh, R. K. Tiwari // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. Vol. 31. P. 22512–22521. doi: 10.1007/s10854020047602

4. Recent advances of photocatalytic application in water treatment: A review / G. Ren, H. Han, Y. Wang, S. Liu, J. Zhao, X. Meng, Z. Li // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, № 7. Art. № 1804. doi: 10.3390/nano11071804

5. Improving the NO2 gas sensing performances at room temperature based on TiO2 NTs/rGO heterojunction nanocomposites / Y. Ling, Y. Yu, C. Tian, C. Zou // Nanomaterials. 2024. Vol. 14, № 22. Art. № 1844. doi: 10.3390/nano14221844

6. Effect of surface wettability on nanoparticle deposition during pool boiling on lasertextured copper surfaces / J. Berce, A. Hadžic, M. Može, K. Arhar, H. Gjerkeš, M. Zupancic, I. Golobic // Nanomaterials. 2024. Vol. 14, № 3. Art. № 311. doi: 10.3390/nano14030311

7. Photocatalysis / R. Ameta, M. S. Solanki, S. Benjamin, S. C. Ameta // Advanced oxidation processes for wastewater treatment. New York: Academic Press, 2018. P. 135–175. doi: 10.1016/B9780128104996.000061

8. A review on the pathways of the improved structural characteristics and photocatalytic performance of titanium dioxide (TiO2) thin films fabricated by the magnetronsputtering technique / Y.H. Wang, K. H. Rahman, C.C. Wu, K.C. Chen // Catalysts. 2020. Vol. 10, № 6. Art. № 598. doi: 10.3390/catal10060598

9. Amorphous TiO2 nanostructures: synthesis, fundamental properties and photocatalytic applications / S. Sun, P. Song, J. Cui, S. Liang // Catalysis Science & Technology. 2019. Vol. 9, № 16. P. 4198–4215. doi: 10.1039/C9CY01020C

10. Cost comparison of advanced oxidation processes for wastewater treatment using accumulated oxygenequivalent criteria / E. Mousset, W. H. Loh, W. S. Lim, L. Jarry, Z. Wang, O. Lefebvre // Water Research. 2021. Vol. 200. Art. № 117234. doi: 10.1016/j.watres.2021.117234

11. Bactericidal mode of titanium dioxide photocatalysis / Z. Huang, P.C. Maness, D. M. Blake, E. J. Wolfrum, S. L. Smolinski, W. A. Jacoby // J. of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2000. Vol. 130, № 2–3. P. 163–170. doi: 10.1016/S10106030(99)002051

12. Effect of deposition parameters on properties of TiO2 films deposited by reactive magnetron sputtering / B. Wang, S. Wei, L. Guo, Y. Wang, Y. Liang, B. Xu, F. Pan, A. Tang, X. Chen // Ceramics Intern. 2017. Vol. 43, № 14. P. 10991–10998. doi: 10.1016/j.ceramint.2017.05.139

13. Sirghi L., Hatanaka Y. Hydrophilicity of amorphous TiO2 ultrathin films // Surface Science. 2003. Vol. 530, № 3. P. L323–L327. doi: 10.1016/S00396028(03)003972

14. Martinez A. I., Acosta D. R., Lopez A. A. Effect of deposition methods on the properties of photocatalytic TiO2 thin films prepared by spray pyrolysis and magnetron sputtering // J. of Physics: Condensed Matter. 2004. Vol. 16, № 22. P. S2335–S2344. doi: 10.1088/09538984/16/22/036

15. Shashin D. E., Sushentsov N. I. Development of manufacturing technology of photodielectric sensitive element of ultraviolet range on the basis of thin films of zinc oxide // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2019. № 6. С. 99–109. doi: 10.18698/023639332019699109

16. Owens D. K., Wendt R. C. Estimation of the surface free energy of polymers // J. of Applied Polymer Science. 1969. Vol. 13, № 8. P. 1741–1747. doi: 10.1002/app.1969.070130815

17. Шаповалов В. И. Нанопорошки и пленки оксида титана для фотокатализа (обзор) // Физика и химия стекла. 2010. Т. 36, № 2. С. 145–194.

18. Шашин Д. Е., Дьячков А. Д. Формирование фотокаталитических пленок TiO2 методом реактивного магнетронного распыления с применением квазизамкнутого пространства // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2024. № 3 (148). C. 75–90.

19. Особенности получения фотокаталитических тонких пленок TiO2 методом магнетронного распыления / Н. И. Сушенцов, Д. Е. Шашин, Е. В. Михеева, А. Д. Дьячков // Вакуумная техника и технологии 2022: тр. 29й Всерос. науч.техн. конф. с междунар. участием, СанктПетербург, 21–23 июня 2022. СПб.: Издво СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2022. С. 282–285.

20. Дьячков А. Д., Шашин Д. Е., Романов А. Л. Исследование морфологии поверхности фотокаталитических тонких пленок диоксида титана // Донецкие чтения 2024: образование, наука, инновации, культура и вызовы современности: материалы IX Междунар. науч. конф., Донецк, 15–17 окт. 2024. Донецк: Издво ДонГУ, 2024. С. 95–97.