Влияние плазменной обработки гибридных фотокатализаторов Ag/ZnO на оптические свойства и морфологию наночастиц Ag

Савастенко Н.А., Щербович А.А., Люшкевич В.А., Филатова И.И., Маскевич С.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Савастенко Н.А., Щербович А.А., Люшкевич В.А., Филатова И.И., Маскевич С.А. Влияние плазменной обработки гибридных фотокатализаторов Ag/ZnO на оптические свойства и морфологию наночастиц Ag // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 87–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-87-98

Savastenko N.A., Shcherbovich A.A., Lyushkevich V.A., Filatova I.I., Maskevich S.A. Effect of plasma treatment of Ag/ZnO hybrid photocatalysts on the optical properties and morphology of Ag nanoparticles [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 87–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-87-98

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Гибридные фотокатализаторы Ag/ZnO и наночастицы серебра как активная фаза гибридных фотокатализаторов после обработки в низкотемпературной плазме диэлектрического барьерного разряда. Цель работы. Установление характера влияния плазменной обработки гибридных фотокатализаторов Ag/ZnO на оптические свойства и морфологию наночастиц серебра и взаимосвязи плазмоиндуцированных морфологических изменений наночастиц серебра и фотокаталитической активности Ag/ZnO в реакциях фотодеградации метилового оранжевого и кофеина. Метод. Обработка гибридных фотокатализаторов Ag/ZnO и ансамблей наночастиц серебра проводилась в плазме диэлектрического барьерного разряда в воздухе при нормальном давлении. Фотокаталитические свойства исходных и обработанных в плазме материалов исследованы с точки зрения их активности в реакциях разложения метилового оранжевого и кофеина в водных растворах под действием ультрафиолетового света. Концентрация метилового оранжевого и кофеина измерена спектрофотометрическим методом. Изменение свойств исходных и модифицированных плазмой материалов изучено с помощью методов фотолюминесцентной спектроскопии, спектрофотометрии, атомно-силовой микроскопии. Основные результаты. Обнаружено плазмоиндуцированное уменьшение размеров агломератов наночастиц серебра при одновременном увеличении количества отдельных наночастиц. Показано, что изменение размеров наночастиц существенно зависит от времени воздействия на них плазмы диэлектрического барьерного разряда. Обработка плазмой гибридных фотокатализаторов Ag/ZnO сопровождалась заметным увеличением длительности флуоресценции ZnO и может являться одним из факторов повышения их фотокаталитической активности в реакциях фотодеградации органических примесей в водных средах. Практическая значимость. Повышение эффективности катализаторов Ag/ZnO для очистки водных сред от органических примесей методом фотодеградации является важной задачей в области эффективного природопользования.

Ключевые слова:

фотокатализатор, ZnO, фотодеградация, обработка в плазме, плазмонные наночастицы, атомная силовая микроскопия, фотометрия, длительность флуоресценции, диэлектрический барьерный разряд

Благодарность:

авторы благодарны сотрудникам Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием «Белорусский межвузовский центр обслуживания научных исследований» физического факультета Белорусского государственного университета за помощь в проведении исследований методом атомно-силовой микроскопии, а также сотрудникам лаборатории молекулярной спектроскопии и фотоники наноструктур Гродненского государственного университета им. Я. Купалы за помощь в проведении исследований кинетики затухания флуоресценции. Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований «Конвергенция–2025», задание 2.2.02 и поддержана Министерством образования РБ, проект № 20211534.

Коды OCIS: 180.0180, 240.6680, 250.5230, 300.1030

Список источников:

1. Liu Y., Dai X., Li J., Cheng Sh., Zhanga J., Ma Y. Recent progress in TiO2–biochar-based photocatalysts for water contaminants treatment: strategies to improve photocatalytic performance // RSC Adv. 2024. V. 14. P. 478–491. https://doi.org/10.1039/d3ra06910a
2. Zhang Y., Ju Sh., Casals Gr., Tang J., Lin Y., Li X., Liang L., Jia Zh., Zeng M., Casals E. Facile aqueous synthesis and comparative evaluation of TiO2-semiconductor and TiO2-metal nanohybrid photocatalysts in antibiotics degradation under visible light // RSC Adv. 2023. V. 13. № 47. P. 33187–33203. https://doi.org/10.1039/d3ra06231g
3. Navidpour A.H., Hosseinzadeh A., Zhou J., Huang Zh. Progress in the application of surface engineering methods in immobilizing TiO2 and ZnO coatings for environmental photocatalysis // Catalysis Reviews. 2021. V. 65. № 1. P. 822–873. https://doi.org/10.1080/01614940.2021.1983066
4. Elhalil A., Elmoubarki R., Sadiq M’h., Abdennouri M., Kadmi Ya., Favier L., Qourzal S., Barka N. Enhanced photocatalytic degradation of caffeine as a model pharmaceutical pollutant by Ag-ZnO-Al2O3 nanocomposite // Desalination and Water Treatment. 2017. V. 94. P. 254–262. https://doi.org/10.5004/dwt.2017.21587
5. Savastenko N.A., Filatova I.I., Lyushkevich V.A., Chubrik N.I., Brüser V., Shcherbovich A.A., Maskevich S.A. Effect of impregnation by silver nanoparticles on the efficiency of plasma-treated ZnO-based catalysts // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. 2020. V. 24. № 1. P. 21–45. https://doi.org/ 10.1615/ HighTempMatProc.2020033434
6. Savastenko N.A., Shcherbovich A.A., Filatova I.I., Lyushkevich V.A., Maskevich S.A. Effect of DBD-plasma treatment on activity of ZnO-based photocatalysts impregnated with silver nanoparticles // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. 2022. V. 26. № 6. P. 25–42. https://doi.org/ 10.1615/HighTempMatProc.2022042454
7. Wagner E., Brandenburg R., Kozlov K.V., Sonnenfeld A., Michel P., Behnke J.F. The barrier discharge: basic properties and applications to surface treatment // Vacuum. 2003. V. 71. № 3. P. 417–436. https://doi.org/10.1016/S0042207X(02)00765-0
8. Lee P.C., Meisel D. Adsorption and surface enhanced Raman of dyes on silver and gold solutions // J. Phys. Chemistry. 1982. V. 86. Iss. 17. P. 3391–3395.
9. Сергеев Б.М., Кирюхин М.В., Прусов А.Н. Сергеев В.Г. Получение наночастиц серебра в водных растворах полиакриловой кислоты // Вестн. моск. ун-та. Сер. Химия. 1999. Т. 40. № 2. P. 123–133.
10. Маскевич А.А., Ступуро В.И., Кургузенков С.А., Лавыш А.В. Комплекс аппаратных и программных средств для исследования кинетики затухания флуоресценции // Вестнік ГрДзУ. Сер. 2. 2013. № 3 (159). С. 107–119.
11. O'Connor D.V., Phillips D. Time-correlated single-photon counting. New York: Academic Press, 1984. 288 p.
12. Маскевич А.А., Степуро В.И., Балинский П.Т. Анализ кинетики затухания флуоресценции тиофлавина Т методом максимума энтропии // Журнал прикладной спектроскопии. 2010. Т. 77. № 2. С. 209–217.

13. Kansal S.K., Singh M., Sud D. Studies on photodegradation of two commercial dyes in aqueous phase using different photocatalysts // J. Hazard. Mater. 2007. V. 141. № 3. P. 581–590. https://doi.org/10.1016/ j.jhazmat.2006.07.035
14. Moore C.J., Louder R., Thompson V.C. Photocatalytic activity and stability of porous polycrystalline ZnO thin-films grown via a two-step thermal oxidation process // Coatings. 2014. V. 4. № 3. P. 651–669. https://doi.org/10.3390/coatings4030651
15. Brüninghoff R., Wenderich K., Korterik J.P. et al. Time-dependent photoluminescence of nanostructured anatase TiO2 and the role of bulk and surface processes // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. № 43. P. 6653–26661. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b06890
16. Liqiang J., Yichun Q., Baiqi W., Shudan L., Baojiang J., Libin Y., Wei F., Honggang F., Jiazhong S. Review of photoluminescence performance of nano-sized semiconductor materials and its relationships with photocatalytic activity // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2006. V. 90. P. 1773–1787. https://doi.org/ 10.1016/j.solmat.2005.11.007
17. Li Y., Uchino R., Tokizono T., Paulsen A., Zhong M., Shuzo M., Yamada I., Delaunay J.-J. Effect of hydrogen plasma treatment on the luminescence and photoconductive properties of ZnO nanowires // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2010. V. 1206. P. 1206-M13-03P1–1206–M13–03P6. https://doi.org/10.1557/PROC-1206-M13-03
18. Горохова Е.И., Еронько С.Б., Орещенко Е.А., Родный П.А., Веневцев И.Д., Кульков А.М., Сухаржевская Е.С. Структурные, оптические и люминесцентные свойства ZnO:Er-керамики // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 12. С. 83–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-12-83-90
19. Sans. J.A., Segura A., Mollar M., Marı́ B. Optical properties of thin films of ZnO prepared by pulsed laser deposition // Thin Solid Films. 2004. V. 453. P. 251–255. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.11.155
20. Liu X., Wu X., Cao H., Chang R.P.H. Growth mechanism and properties of ZnO nanorods synthesized by plasma-enhanced chemical vapor deposition // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 3141–3147. https://doi.org/10.1063/1.1646440
21. Shalish I., Temkin H., Narayanamurti V. Size-dependent surface luminescence in ZnO nanowires // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 1–4. https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.69.245401
22. Park S., An S., Mun Y. et al. Enhanced luminescence of Ag-decorated ZnO nanorods // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2013. V. 24. № 12. P. 4906–4912. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/17/017
23. Lin J.M., Lin H.Y., Cheng Ch.L., Chen Ya.F. Giant enhancement of bandgap emission of ZnO nanorods by platinum nanoparticles // Nanotechnol. 2006. V. 17. № 17. P. 4391. https://doi.org/10.1088/0957-4484/ 17/17/017
24. Cheng C.W., Sie E.J., Liu B. et al. Surface plasmon enhanced band edge luminescence of ZnO nanorods by capping Au nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. № 7. P. 071107. https://doi.org/10.1063/1.3323091
25. Сидоров А.И. Двойной плазмонный резонанс в сферических наноструктурах // Журнал технической физики. 2006. Т. 76. № 4. P. 86–90.
26. Sastry M., Mayya K.S., Bandyopadhyay K. PH dependent changes in the optical properties of carboxylic acid derivatized silver colloidal particles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1997. V. 127. № 1–3. P. 221–228. https://doi. org/10.1016/S0927-7757(97)00087-3

27. Gorham J.M., Rohlfing A.B., Lippa K.A., MacCuspie R.I., Hemmati A., Holbrook R.D. Storage wars: how citrate-capped silver nanoparticle suspensions are affected by not-so-trivial decisions // J. Nanopart. Res. 2014. V. 16. P. 2339–2353. https://doi.org/10.1007/s11051-014-2339-9