[go: up one dir, main page]

RU2801392C1 - Method for producing ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide in the bronze phase - Google Patents

Method for producing ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide in the bronze phase Download PDF

Info

Publication number
RU2801392C1
RU2801392C1 RU2023102652A RU2023102652A RU2801392C1 RU 2801392 C1 RU2801392 C1 RU 2801392C1 RU 2023102652 A RU2023102652 A RU 2023102652A RU 2023102652 A RU2023102652 A RU 2023102652A RU 2801392 C1 RU2801392 C1 RU 2801392C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tio2
titanium dioxide
oxygen
solution
temperature
Prior art date
Application number
RU2023102652A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Павлович Опра
Александр Александрович Соколов
Сергей Леонидович Синебрюхов
Иван Анатольевич Ткаченко
Альберт Муктасимович Зиатдинов
Сергей Васильевич Гнеденков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2801392C1 publication Critical patent/RU2801392C1/en

Links

Abstract

FIELD: chemical synthesis.
SUBSTANCE: invention relates to the production of nanocrystalline ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide with a monoclinic bronze structure, promising from the point of view of photocatalysis and solar energy. The method is based on alkaline hydrothermal treatment of titanium dioxide powder at a temperature of 170°C for 3 days, protonation of the precipitate in a solution of 0.05 M hydrochloric acid for 72 h with a solution change every 24 h, drying, followed by heat treatment at 350°C for 3 hours under vacuum or under nitrogen or argon.
EFFECT: improved electronic properties and optical activity.
1 cl, 3 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области химического синтеза, в частности к получению нанокристаллического ферромагнитного кислород-дефицитного диоксида титана в фазе бронзы с моноклинной структурой, перспективного для применения в областях фотокатализа и солнечной энергетики, для создания разбавленных магнитных полупроводников и электрохимических накопителей энергии.The invention relates to the field of chemical synthesis, in particular to the production of nanocrystalline ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide in the bronze phase with a monoclinic structure, promising for use in the fields of photocatalysis and solar energy, for creating dilute magnetic semiconductors and electrochemical energy storage devices.

Полупроводники на основе оксидов титана используются в качестве фотокатализаторов, сенсорных элементов, элементов фотоэлектрического преобразования и фотополупроводниковых электродов из-за высокого преломления света и поглощения УФ-излучения. Нанокристаллические материалы на основе полиморфных модификаций TiO2 нестехиометрического состава, содержащего собственные и/или примесные структурные дефекты, привлекают интерес ввиду усиленной оптической и каталитической активности, улучшенных электронных свойств и наличия ферромагнетизма при комнатной температуре.Titanium oxide semiconductors are used as photocatalysts, sensor elements, photoelectric conversion elements, and photoconductor electrodes due to high refraction of light and absorption of UV radiation. Nanocrystalline materials based on polymorphic modifications of TiO2 of a nonstoichiometric composition containing intrinsic and/or impurity structural defects are of interest due to enhanced optical and catalytic activity, improved electronic properties, and the presence of ferromagnetism at room temperature.

В природе диоксид титана представлен в виде нескольких модификаций: брукит, рутил, анатаз, и TiO2(B) с моноклинной структурой (метастабильная β-фаза TiO2). Каждая из кристаллических форм TiO2 имеет уникальную структурную упаковку октаэдров TiO6, что и вызывает различие в физико-химических свойствах, определяя направление практического применения. Например, наноразмерные гетерофазные системы анатаз/рутил предпочтительны для использования в области фотокатализа, однако, так как ширина запрещённой зоны у TiO2 составляет 3,0-3,3 эВ, нанокомпозит анатаз/рутил TiO2 как фотокатализатор способен поглощать лишь ультрафиолетовый свет (т.е. менее 5% солнечного излучения). TiO2(B) привлекает внимание исследователей, работающих в области создания металл-ионных аккумуляторов, однако, из-за широкой запрещённой зоны TiO2(B) имеет недостаточную электронную проводимость для использования в роли электродного материала аккумуляторов. Создание нестехиометрических модификаций на основе TiO2 с собственными и/или примесными структурными дефектами (так называемыми центрами окраски) позволяет улучшить его оптическую активность и электронные свойства. Также, дефектные формы TiO2, ввиду наличия в них ферромагнетизма при комнатной температуре, привлекают в последние годы интерес и разработчиков полупроводниковых магнетиков.In nature, titanium dioxide is presented in the form of several modifications: brookite, rutile, anatase, and TiO2(B) with a monoclinic structure (metastable β-phase of TiO2). Each of the crystalline forms of TiO2 has a unique structural arrangement of TiO6 octahedra, which causes a difference in physicochemical properties, determining the direction of practical application. For example, nanosized anatase/rutile heterophase systems are preferred for use in the field of photocatalysis, however, since the TiO2 band gap is 3.0–3.3 eV, the anatase/rutile TiO2 nanocomposite as a photocatalyst is only capable of absorbing ultraviolet light (i.e. less than 5% solar radiation). TiO2(B) attracts the attention of researchers working in the field of metal-ion batteries, however, due to the wide band gap, TiO2(B) has insufficient electronic conductivity to be used as an electrode material for batteries. The creation of nonstoichiometric modifications based on TiO2 with intrinsic and/or impurity structural defects (so-called color centers) makes it possible to improve its optical activity and electronic properties. Also, defective forms of TiO2, due to the presence of ferromagnetism at room temperature, have attracted the interest of developers of semiconductor magnets in recent years.

Допирование примесями катионного или анионного типа является сегодня одним из основных путей создания дефектов в TiO2. В то же время, такой подход не лишён недостатков и ограничений. Так, например, присутствие примесей может изменить условия структурно-фазовых превращений в TiO2 при нагреве (понизить температуру таких переходов), спровоцировать укрупнение частиц, привести к снижению удельной поверхности. С другой стороны, образования структурных дефектов в TiO2 можно добиться беспримесным способом, не изменяя химический состав, например, благодаря термической обработке в специфических условиях, в частности, в газовой среде. В большинстве случаев, для этих целей используют восстановительную атмосферу, что приводит к получению самодопированного TiO2, содержащего центры Ti3+.Doping with impurities of the cationic or anionic type is today one of the main ways to create defects in TiO2. At the same time, this approach is not without drawbacks and limitations. For example, the presence of impurities can change the conditions of structural-phase transformations in TiO2 during heating (lower the temperature of such transitions), provoke particle enlargement, and lead to a decrease in the specific surface area. On the other hand, the formation of structural defects in TiO2 can be achieved in a pure way without changing the chemical composition, for example, due to heat treatment under specific conditions, in particular, in a gaseous medium. In most cases, a reducing atmosphere is used for these purposes, which leads to the production of self-doped TiO 2 containing Ti3+ centers.

Так, известен способ получения наночастиц TiO2 чёрного анатаза в атмосфере H2 при 20 бар и температуре 200°C в течение пяти суток [X. Chen, et al. «Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals» // Science, 2011, V.331, pp.746-50]. Для начала были получены наночастицы TiO2 при нагревании реакционного раствора, содержащего тетраизопропоксид титана, блок-сополимер Pluronic F127, соляную кислоту, деионизированную воду и этанол в мольном соотношении 1:0,005:0,5:15:40 при 40°С в течение 24 ч с последующим выпариванием, сушкой при 110°С в течение 24 ч и прокаливанием при 500°С. Затем проводили гидрирование при высоком давлении в течение длительного времени (20 бар Н2, 200°С, 5 дней; 1 бар = 0,1 МПа) с образованием TiO2 в модификации анатаз, окрашенного в черный цвет. Полученные наночастицы TiO2 обладают структурой ядро/оболочка, где ядро сохраняет упорядоченную структуру, а оболочка содержит нестехиометрические участки, что приводит к увеличенному оптическому поглощению, и существенному уменьшению энергии запрещенной зоны (до 1,54 эВ) диоксида титана.Thus, a method is known for producing black anatase TiO2 nanoparticles in an H2 atmosphere at 20 bar and a temperature of 200°C for five days [X. Chen, et al. "Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals" // Science, 2011, V.331, pp.746-50]. First, TiO2 nanoparticles were obtained by heating a reaction solution containing titanium tetraisopropoxide, Pluronic F127 block copolymer, hydrochloric acid, deionized water, and ethanol in a molar ratio of 1:0.005:0.5:15:40 at 40°C for 24 h. followed by evaporation, drying at 110°C for 24 h and calcination at 500°C. Hydrogenation was then carried out at high pressure for a long time (20 bar H2, 200°C, 5 days; 1 bar = 0.1 MPa) to form black TiO2 in the anatase modification. The resulting TiO2 nanoparticles have a core/shell structure, where the core retains an ordered structure, and the shell contains nonstoichiometric regions, which leads to increased optical absorption and a significant decrease in the band gap energy (up to 1.54 eV) of titanium dioxide.

К недостаткам способа, помимо того, что им не был получен дефектный TiO2 в модификации бронз, относится энергозатратность в силу длительной термической обработки и высоких температур. У такого подхода есть еще один существенной недостаток - небезопасность, поскольку использование водорода представляет собой фактор серьезной опасности. Также недостатком является то, что процесс гидрирования необходимо жестко контролировать, поскольку обработка водородом может приводить к следующим последствиям 1) структурные изменения с превращением кристаллической фазы в неупорядоченную, без изменения валентного состояния титана; 2) частичное восстановление титана, но до более низкой формы валентности; 3) глубокое восстановление с отделением титана в металлическую фазу; 4) восстановление с образованием металлического титана, последующее окисление которого воздухом при контакте с окружающей средой приводит к образованию на поверхности слоя оксида с неупорядоченной структурой.The disadvantages of the method, in addition to the fact that they did not obtain defective TiO2 in the modification of bronzes, include energy consumption due to prolonged heat treatment and high temperatures. This approach has another significant drawback - insecurity, since the use of hydrogen is a factor of serious danger. It is also a disadvantage that the hydrogenation process must be tightly controlled, since hydrogen treatment can lead to the following consequences: 1) structural changes with the transformation of the crystalline phase into a disordered one, without changing the valence state of titanium; 2) partial reduction of titanium, but to a lower form of valency; 3) deep reduction with the separation of titanium into the metal phase; 4) reduction with the formation of metallic titanium, the subsequent oxidation of which by air in contact with the environment leads to the formation of an oxide layer with a disordered structure on the surface.

В [Wei Zhou et al. «Ordered mesoporous black TiO2 as highly efficient hydrogen evolution photocatalyst» // J. Am. Chem. Soc., 2014, V.136, pp.9280-9283] гидрированием при 500°С в течение 3 ч в условиях нормального давления получен мезопористый TiO2 в форме анатаза с черной окраской. На первой стадии 1 г триблоксополимера Pluronic P123, растворенного в 15 мл этанола, добавляли к 4 г раствора тетрабутилтитаната и 3,2 мл концентрированной соляной кислоты. Полученный раствор золя переводили в гель при комнатной температуре в течение нескольких недель. Затем гель отжигали при 200°С в течение 4 ч, кипятили с водным раствором этилендиамина в течение 48 ч при 90-100°С при рН=11-12, промывали и сушили при 60°С в течение ночи. После этого материал прокаливали в атмосфере азота при 350°С в течение 3 ч с последующим отжигом на воздухе при 700°С в течение 2 ч. Полученный мезопористый TiO2 чёрного цвета продемонстрировал усиление оптического поглощения электромагнитного излучения вплоть до инфракрасной области.In [Wei Zhou et al. “Ordered mesoporous black TiO2 as highly efficient hydrogen evolution photocatalyst” // J. Am. Chem. Soc., 2014, V.136, pp.9280-9283], mesoporous TiO2 in the form of anatase with black color was obtained by hydrogenation at 500°C for 3 h under normal pressure. In the first step, 1 g of Pluronic P123 triblock copolymer dissolved in 15 ml of ethanol was added to 4 g of tetrabutyl titanate solution and 3.2 ml of concentrated hydrochloric acid. The resulting sol solution was gelled at room temperature over several weeks. Then the gel was annealed at 200°C for 4 hours, boiled with an aqueous solution of ethylenediamine for 48 hours at 90-100°C at pH=11-12, washed and dried at 60°C overnight. After that, the material was calcined in a nitrogen atmosphere at 350°С for 3 h, followed by annealing in air at 700°С for 2 h. The resulting black mesoporous TiO2 demonstrated an increase in the optical absorption of electromagnetic radiation up to the infrared region.

Основным недостатком способа является невозможность получить кислород-дефицитный диоксид титана в структурной модификации бронз. Также, существенным недостатком способа является длительность процесса, который занимает более недели.The main disadvantage of this method is the inability to obtain oxygen-deficient titanium dioxide in the structural modification of bronzes. Also, a significant disadvantage of the method is the duration of the process, which takes more than a week.

Другим подходом к созданию собственных дефектов в TiO2 является термическая обработка в среде инертного газа - аргона, азота или в вакууме. Однако важно, что в таком случае тип среды, в которой происходит термообработка обуславливает не только степень дефектности TiO2, но и методологию процедуры (температуру, время и пр.), определяющую, в свою очередь, энергозатратность процесса в целом.Another approach to the creation of intrinsic defects in TiO2 is thermal treatment in an inert gas environment - argon, nitrogen, or in vacuum. However, it is important that in this case the type of medium in which heat treatment takes place determines not only the degree of defectiveness of TiO2, but also the methodology of the procedure (temperature, time, etc.), which in turn determines the energy consumption of the process as a whole.

Известен способ получения окрашенного от чёрного до голубого цвета TiO2, обладающего высокой фотокаталитической активностью [Huaqiao Tan, et al. «A facile and versatile method for preparation of colored TiO2 with enhanced solar-driven photocatalytic activity» // Nanoscale, 2014, V.6, pp.10216-10223]. Для этого 4 г наноразмерного TiO2 (P25; смесь анатаза и рутила в соотношении 3:1) смешивали с 1,5 г NaBH4 растиранием в течение 30 мин при комнатной температуре. Затем смесь помещали в трубчатую печь и прогревали до 300-400°С в атмосфере аргона со скоростью нагрева 10°С/мин, с выдержкой при заданной температуре в течение 5-60 мин. После естественного охлаждения до комнатной температуры получали окрашенный TiO2, который несколько раз промывали деионизированной водой и этанолом для удаления непрореагировавшего NaBH4 и сушили при 70°С. Описанным способом была получена серия образцов дефектного TiO2 разного цвета, от светло-голубого до чёрного, за счет контроля температуры и времени реакции.A known method for producing black-to-blue colored TiO2 having high photocatalytic activity [Huaqiao Tan, et al. “A facile and versatile method for preparation of colored TiO2 with enhanced solar-driven photocatalytic activity” // Nanoscale, 2014, V.6, pp.10216-10223]. For this, 4 g of nanosized TiO2 (P25; a mixture of anatase and rutile in a ratio of 3:1) was mixed with 1.5 g of NaBH4 by trituration for 30 min at room temperature. Then the mixture was placed in a tube furnace and heated to 300-400°C in an argon atmosphere at a heating rate of 10°C/min, holding at a given temperature for 5-60 minutes. After natural cooling to room temperature, colored TiO2 was obtained, which was washed several times with deionized water and ethanol to remove unreacted NaBH4 and dried at 70°C. By the described method, a series of defective TiO2 samples of different colors, from light blue to black, was obtained by controlling the temperature and reaction time.

Недостатком является не отвечающий TiO2 в форме бронз фазовый состав полученных продуктов, а также использование в качестве восстановителя опасного борогидрида натрия. Помимо этого, отсутствуют сведения о ферромагнитных свойствах полученного продукта.The disadvantage is that the phase composition of the obtained products does not correspond to TiO2 in the form of bronzes, as well as the use of hazardous sodium borohydride as a reducing agent. In addition, there is no information about the ferromagnetic properties of the resulting product.

Возможность получения дефицитного TiO2 в структурной модификации бронз продемонстрирована в способе, описанном в [Yan Zhang et al. «Oxygen vacancies evoked blue TiO2(B) nanobelts with efficiency enhancement in sodium storage behaviors» // Adv. Funct. Matter, 2017, V.27, №27, pp.170856-1700868]. Процесс включал несколько этапов. На первом этапе были получены наноленты TiO2(В) белого цвета. Для этого NaOH (18 г, 11,25 M) растворяли в 40 мл деионизированной воды с последующим добавлением коммерческого диоксида титана P25 (0,3 г) при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке. Свежеприготовленную суспензию переносили в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым вкладышем вместимостью 50 мл и подвергали гидротермальной обработке с помощью масляной бани в течение 48 ч при 160°С при скорости перемешивания 500 об/мин. После реакции автоклав вынимали из масляной бани и охлаждали до комнатной температуры. Продукт белого цвета от маточного раствора отделяли центрифугированием и промывали деионизированной водой до достижения рН=9. После этого проводили ионный обмен в разбавленном растворе HNO3 (0,1 М) с получением протонированной формы, которую отделяли центрифугированием и отмывали деионизированной водой до получения нейтрального раствора. После сушки при 100 °C в течение 12 часов в вакууме продукт отжигали при 500°C в течение 2 часов со скоростью нагрева 3°C/мин на воздухе с получением наноленточного TiO2(B) белого цвета. На втором этапе 0,15 г бромида цетилтриметиламмония растворяли в 40 мл 0,1 М HCl на бане со льдом. После интенсивного перемешивания в течение 15 мин в свежеприготовленный раствор добавляли 200 мг полученного TiO2(B) и 0,26 г аммония пероксидисульфата при постоянном перемешивании в течение 15 мин. Затем в реакционный раствор вышеуказанной смеси по каплям вводили 25 мкл пиррола при перемешивании при температуре 0-5°С в течение 24 ч. Полученный осадок синего цвета отделяли центрифугированием и промывали деионизированной водой. Затем, после сушки в вакууме, осадок отожгли при 500°C в течение 2 ч со скоростью нагрева 3°C/мин в потоке аргона с образованием TiO2(B), окрашенного в синий цвет.The possibility of obtaining deficient TiO2 in the structural modification of bronzes was demonstrated in the method described in [Yan Zhang et al. "Oxygen vacancies evoked blue TiO2(B) nanobelts with efficiency enhancement in sodium storage behaviors" // Adv. Funct. Matter, 2017, V.27, No. 27, pp.170856-1700868]. The process included several stages. At the first stage, white TiO2(B) nanoribbons were obtained. To do this, NaOH (18 g, 11.25 M) was dissolved in 40 ml of deionized water, followed by the addition of commercial titanium dioxide P25 (0.3 g) with vigorous stirring on a magnetic stirrer. The freshly prepared slurry was transferred to a 50 ml Teflon-lined stainless steel autoclave and hydrothermally treated with an oil bath for 48 hours at 160° C. with a stirring speed of 500 rpm. After the reaction, the autoclave was removed from the oil bath and cooled to room temperature. The white product was separated from the mother liquor by centrifugation and washed with deionized water until pH=9. After that, ion exchange was carried out in a dilute solution of HNO3 (0.1 M) to obtain a protonated form, which was separated by centrifugation and washed with deionized water until a neutral solution was obtained. After drying at 100°C for 12 hours in a vacuum, the product was annealed at 500°C for 2 hours at a heating rate of 3°C/min in air to obtain white nanoribbon TiO2(B). In the second step, 0.15 g of cetyltrimethylammonium bromide was dissolved in 40 ml of 0.1 M HCl in an ice bath. After intensive stirring for 15 min, 200 mg of the resulting TiO2(B) and 0.26 g of ammonium peroxydisulphate were added to the freshly prepared solution with constant stirring for 15 min. Then, 25 µl of pyrrole was added dropwise to the reaction solution of the above mixture with stirring at a temperature of 0-5°C for 24 hours. The resulting blue precipitate was separated by centrifugation and washed with deionized water. Then, after drying in a vacuum, the deposit was annealed at 500°C for 2 h at a heating rate of 3°C/min in an argon flow to form blue colored TiO2(B).

К существенным недостаткам способа относится множество технологических приёмов и использование дополнительных реагентов, которые в виде примесей могут оказать влияние на свойства полученного синего TiO2(B). Помимо этого, у известного дефицитного TiO2(В) не описаны ферромагнитные свойства.Significant disadvantages of the method include many technological methods and the use of additional reagents, which, in the form of impurities, can affect the properties of the obtained blue TiO2(B). In addition, ferromagnetic properties have not been described for the known deficient TiO2(B).

Прототипом заявляемого изобретения по условиям синтеза TiO2 в структурной модификации бронз является способ, предложенный в [Ping Li et al. «Synthesis of mesoporous TiO2-B nanobelts with highly crystalized walls toward efficient H2 evolution» // Nanomaterials (Basel), 2019, V.9, №7, рр.919-925]. В источнике информации описано получение мезопористых нанолент TiO2(B) гидротермальным синтезом. Для этого 0,5 г порошка диоксида титана P25 диспергировали в 20 мл 10 М раствора NaOH при магнитном перемешивании в течение 30 мин при комнатной температуре, а затем переносили в 25-мл автоклав из нержавеющей стали с ячейкой из политетрафторэтилена и нагревали при 180 °C в течение 48 часов. Продукт трижды промывали раствором 0,1 М HCl, отделяли центрифугированием и сушили при 80°C в течение ночи. Мезопористые наноленты TiO2(B) были получены в ходе дальнейшей термообработки при температуре 450°С в течение 2 ч на воздухе.The prototype of the claimed invention under the terms of the synthesis of TiO2 in the structural modification of bronzes is the method proposed in [Ping Li et al. "Synthesis of mesoporous TiO2-B nanobelts with highly crystallized walls towards efficient H2 evolution" // Nanomaterials (Basel), 2019, V.9, No. 7, pp. 919-925]. The source of information describes the production of mesoporous TiO2(B) nanoribbons by hydrothermal synthesis. To do this, 0.5 g of P25 titanium dioxide powder was dispersed in 20 ml of 10 M NaOH solution with magnetic stirring for 30 min at room temperature, and then transferred to a 25 ml stainless steel autoclave with a polytetrafluoroethylene cell and heated at 180 °C within 48 hours. The product was washed three times with a solution of 0.1 M HCl, separated by centrifugation and dried at 80°C overnight. Mesoporous TiO2(B) nanoribbons were obtained during further heat treatment at a temperature of 450°С for 2 h in air.

В указанном источнике информации доказательств формирования кислород-дефицитного TiO2(B), равно как и наличия магнитных свойств, не приведены, что является основным недостатком прототипа.In the specified source of information, evidence of the formation of oxygen-deficient TiO2(B), as well as the presence of magnetic properties, is not given, which is the main drawback of the prototype.

Таким образом техническим результатом заявляемого изобретения является способ получения кислород-дефицитного диоксида титана в модификации бронз, TiO2(B) со свойствами разбавленного магнитного полупроводника, основанный на сочетании методов гидротермальной обработки, ионного обмена и термообработки в вакууме либо в атмосфере азота или аргона. Заявленные в способе температура и длительность гидротермальной обработки, длительность и режим ионного обмена, использование вакуума либо атмосферы азота или аргона в сочетании с термообработкой приводят к образованию центров окраски в виде донорных вакансий кислорода в анионной подрешётке бронзового полиморфа, что обуславливает его окрашивание в тёмно-серый цвет. Присутствие анионных вакансий повышает интенсивность поглощения в видимой области и ближнем инфракрасном диапазоне, приводит к уменьшению запрещённой зоны с 3,23 до 3,03 эВ. Полученный нестехиометричный TiO2(B), относится к классу разбавленных магнитных оксидных полупроводников поскольку может проявлять ферромагнитные свойства при комнатной температуре.Thus, the technical result of the claimed invention is a method for producing oxygen-deficient titanium dioxide in the modification of bronzes, TiO2(B) with the properties of a dilute magnetic semiconductor, based on a combination of hydrothermal treatment, ion exchange and heat treatment in vacuum or in an atmosphere of nitrogen or argon. The temperature and duration of hydrothermal treatment declared in the method, the duration and mode of ion exchange, the use of vacuum or an atmosphere of nitrogen or argon in combination with heat treatment lead to the formation of color centers in the form of oxygen donor vacancies in the anionic sublattice of the bronze polymorph, which causes its coloration in dark gray color. The presence of anion vacancies increases the intensity of absorption in the visible and near infrared ranges, leading to a decrease in the band gap from 3.23 to 3.03 eV. The resulting nonstoichiometric TiO2(B) belongs to the class of dilute magnetic oxide semiconductors, since it can exhibit ferromagnetic properties at room temperature.

Технический результат достигают способом получения ферромагнитного кислород-дефицитного TiO2(В) со структурой бронз, основанном на щелочной гидротермальной обработке порошка диоксида титана при температуре 170°C в течение 3 суток, протонировании полученного продукта в 0,05М растворе соляной кислоты в течение 72 часов со сменой раствора каждые 24 часа, сушке и последующей термообработке при 350°C в течение 3 часов в вакууме либо в атмосфере азота или аргона.The technical result is achieved by a method for producing ferromagnetic oxygen-deficient TiO2(B) with a bronze structure based on alkaline hydrothermal treatment of titanium dioxide powder at a temperature of 170°C for 3 days, protonation of the resulting product in a 0.05M hydrochloric acid solution for 72 hours with by changing the solution every 24 hours, drying and subsequent heat treatment at 350°C for 3 hours in a vacuum or in an atmosphere of nitrogen or argon.

Технический результат подтверждается рядом методов и проиллюстрирован следующими рисунками:The technical result is confirmed by a number of methods and is illustrated by the following figures:

Фиг.1. Рентгенограммы (а) и ЭПР-спектры (б) образцов TiO2(В) со структурой бронз, полученных по примеру 1 (1) и по примеру 2 (2).Fig.1. X-ray diffraction patterns (a) and EPR spectra (b) of TiO2(B) samples with bronze structure obtained in Example 1 (1) and Example 2 (2).

Фиг.2. Спектры диффузного отражения в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфоракрасной областях, зарегистрированные в режиме поглощения (а) и соответствующие зависимости Тауца (б) для образцов TiO2(B) со структурой бронз, полученных по примеру 1 (1), по примеру 2 (2), по примеру 3 (3), по примеру 4 (4).Fig.2. Diffuse reflectance spectra in the ultraviolet, visible and near infrared regions recorded in the absorption mode (a) and the corresponding Tauc dependences (b) for TiO2(B) samples with the structure of bronzes obtained in example 1 (1), according to example 2 (2) , according to example 3 (3), according to example 4 (4).

Фиг.3. Зависимость намагниченности от внешнего магнитного поля при комнатной температуре для образца кислород-дефицитного TiO2(B) со структурой бронз, полученного по примеру 1.Fig.3. The dependence of magnetization on an external magnetic field at room temperature for a sample of oxygen-deficient TiO2(B) with a bronze structure, obtained according to example 1.

Фазовый состав ферромагнитного кислород-дефицитного TiO2(В) со структурой бронз устанавливали на рентгеновском порошковом дифрактометре Bruker D8-Advance в CuKα-излучении в фокусной геометрии Брэгга-Брентано. Дифрактограммы анализировали в соответствии с базой эталонных данных PDF-2 (2015 г.). Морфологию поверхности изучали методом сканирующей электронной микроскопии. Удельную площадь поверхности, объём и распределение пор по размерам оценивали газоадсорбционным методом с применением азота при 77 K с обработкой данных в рамках алгоритмов Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ) и Барретта-Джойнера-Халенды (БДХ).The phase composition of ferromagnetic oxygen-deficient TiO2(B) with a bronze structure was determined on a Bruker D8-Advance X-ray powder diffractometer in CuKα radiation in the Bragg-Brentano focal geometry. The diffraction patterns were analyzed according to the PDF-2 reference database (2015). The surface morphology was studied by scanning electron microscopy. The specific surface area, volume, and pore size distribution were estimated by the gas adsorption method using nitrogen at 77 K with data processing using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BDH) algorithms.

Природу и свойства парамагнитных центров определяли методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). ЭПР-спектры записывали на приборе JEOL JES-X330 в X-диапазоне рабочих частот при следующих настройках: мощность микроволнового излучения 2 мВт, амплитуда модуляции 0,2 Гс, частота модуляции 100 кГц. Температурно-зависимые измерения проводили в непрерывном потоке газообразного азота с помощью стандартного блока переменной температуры JEOL ES-13060 DVT5. Облучение образцов ультрафиолетом проводили с помощью стандартной установки ультрафиолетового облучения JEOL ES-USH500. Интегральные интенсивности и значения g-факторов линий ЭПР калибровали, соответственно, по интегральной интенсивности и значению g=2,002293±0,000003 сигнала спинового резонанса на электронах проводимости наночастиц Li в эталонном образце LiF:Li, которые в интервале от 2 до 400 K не изменяются.The nature and properties of paramagnetic centers were determined by the method of electron paramagnetic resonance (EPR). EPR spectra were recorded on a JEOL JES-X330 instrument in the X-range of operating frequencies with the following settings: microwave radiation power 2 mW, modulation amplitude 0.2 gauss, modulation frequency 100 kHz. Temperature-dependent measurements were performed in a continuous flow of nitrogen gas using a JEOL ES-13060 DVT5 variable temperature standard unit. The ultraviolet irradiation of the samples was carried out using a standard JEOL ES-USH500 ultraviolet irradiation unit. The integral intensities and values of the g-factors of the EPR lines were calibrated, respectively, according to the integral intensity and the value g=2.002293±0.000003 of the spin resonance signal on the conduction electrons of Li nanoparticles in the LiF:Li reference sample, which are in the range from 2 to 400 K do not change.

Оптические свойства и электронную зонную структуру подтверждали с помощью спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях с регистрацией спектров в координатах A (оптическая плотность анализируемой среды) от λ (длина волны электромагнитного излучения) на спектрофотометре с приставкой для работы в режиме диффузного отражения при комнатной температуре в диапазоне длин волн 200-1400 нм со спектральной шириной щели 1 нм и шагом сканирования 1 нм. В роли непоглощающего стандарта использовали сульфат бария.Optical properties and electronic band structure were confirmed using spectroscopy in the ultraviolet, visible and near infrared regions with registration of spectra in coordinates A (optical density of the analyzed medium) from λ (wavelength of electromagnetic radiation) on a spectrophotometer with an attachment for operating in the diffuse reflection mode at room temperature. temperature in the wavelength range of 200-1400 nm with a spectral slit width of 1 nm and a scanning step of 1 nm. Barium sulfate was used as a non-absorbing standard.

Полевые зависимости образцов исследовали при двух температурах 300 и 4 K, на вибромагнитометре VSM, входящем в состав установки по исследованию физических свойств вещества PPMS 9T. Диапазон изменения внешнего поля составлял ± 30 кЭ.The field dependences of the samples were studied at two temperatures, 300 and 4 K, on a VSM vibromagnetometer, which is part of the PPMS 9T setup for studying the physical properties of matter. The range of variation of the external field was ±30 kOe.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что образцы, полученные заявляемым способом, состоят из нанолент шириной 30-60 нм, толщиной 6-8 нм и длиной в несколько микрометров с цилиндрическими мезопорами с открытыми концами размером 2-50 нм. Рассчитанная по модели БЭТ удельная площадь поверхности тёмно-серого TiO2(B) составляет 36,1 м2/г. Определённый по БДХ суммарный объём пор образцов равен ~0,19 см3/г. Форма кривых распределения пор по размерам подтверждает наличие мезопор (около 0,12 см3/г суммарного объёма).Experimental data indicate that the samples obtained by the claimed method consist of nanoribbons 30-60 nm wide, 6-8 nm thick and several micrometers long with cylindrical mesopores with open ends 2-50 nm in size. The specific surface area of dark gray TiO2(B) calculated from the BET model is 36.1 m2/g. The total pore volume of the samples determined by the BDC is ~0.19 cm3/g. The shape of the pore size distribution curves confirms the presence of mesopores (about 0.12 cm3/g total volume).

Рентгенофазовый анализ свидетельствует о формировании бронзовой фазы диоксида титана (JCPDS 74-1940) моноклинной сингонии (пр. гр. C2m) с параметрами элементарной ячейки a=12,208Å, b=3,749Å, c=6,535Å и β=107,36°.X-ray phase analysis indicates the formation of a bronze phase of titanium dioxide (JCPDS 74-1940) of a monoclinic system (sp. gr. C2m) with unit cell parameters a=12.208Å, b=3.749Å, c=6.535Å and β=107.36°.

По данным электронного парамагнитного резонанса, значение g-фактора (g=2,0037(1)) основной компоненты спектров ЭПР близко к значению g-фактора электронов, локализованных в кислородных вакансиях диоксида титана (т.н. F-центры, относящиеся к центрам окраски).According to the data of electron paramagnetic resonance, the value of the g-factor (g=2.0037(1)) of the main component of the EPR spectra is close to the value of the g-factor of electrons localized in oxygen vacancies of titanium dioxide (the so-called F-centers related to the centers colors).

Согласно оптической спектроскопии, присутствие кислородных вакансий приводит к «сужению» запрещённой зоны с 3,23 до 3,03 эВ и заметному изменению оптического поглощения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (Фиг.2).According to optical spectroscopy, the presence of oxygen vacancies leads to a "narrowing" of the band gap from 3.23 to 3.03 eV and a noticeable change in optical absorption in the visible and near infrared ranges (Fig.2).

Рост намагниченности TiO2(B) в результате термической обработки в вакууме указывает на то, что дефектность кристаллического строения (наличие вакансий в анионной подрешётке) играет единственно существенную роль в возникновении магнитных свойств у полученного кислород-дефицитного TiO2(B), которые проявляются уже при комнатной температуре.An increase in the magnetization of TiO2(B) as a result of thermal treatment in vacuum indicates that the imperfection of the crystal structure (the presence of vacancies in the anionic sublattice) plays the only significant role in the appearance of magnetic properties in the obtained oxygen-deficient TiO2(B), which appear already at room temperature. temperature.

Сущность изобретения подтверждается следующими примерами.The essence of the invention is confirmed by the following examples.

Пример 1. Вначале 0,26 г коммерческого диоксида титана в модификации анатаз со средним размером частиц ~100 нм диспергировали в 40 мл водного раствора NaOH (14 M) при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке в течение 1-2 ч. Далее, дисперсию на протяжении 3 суток при температуре 170°C выдерживали в стальном автоклаве с тефлоновым вкладышем объёмом 50 мл. После завершения процесса реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, осадок отделяли центрифугированием. Посредством обработки отфильтрованного продукта в растворе 0,05 М HCl, взятого в 5-кратном избытке, осуществляли обмен Na+ на H+. Процесс ионообмена проводили на протяжении 72 ч, каждые 24 ч производили замену раствора HCl. Полученную протонированную форму отделяли от маточного раствора, промывали деионизированной водой до нейтрального уровня (pH=7-8), высушивали при температуре 80°C. На финальной стадии синтеза проводили температурную обработку в трубчатой печи при 350°C в течение 3 ч при вакууме, что приводило к получению образца тёмно-серой окраски. Полученный продукт относится к кислород-дефицитному TiO2(B) (Фиг.1), имеет ширину запретной зоны 3,03 эВ (Фиг.2) и относится к классу разбавленных магнитных оксидных полупроводников поскольку проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре (Фиг.3).Example 1. First, 0.26 g of commercial titanium dioxide in the anatase modification with an average particle size of ~100 nm was dispersed in 40 ml of an aqueous solution of NaOH (14 M) with continuous stirring on a magnetic stirrer for 1-2 hours. For 3 days at a temperature of 170°C, they were kept in a steel autoclave with a Teflon liner with a volume of 50 ml. After completion of the process, the reaction mixture was cooled to room temperature, the precipitate was separated by centrifugation. By treating the filtered product in a solution of 0.05 M HCl, taken in a 5-fold excess, Na+ was exchanged for H+. The ion exchange process was carried out for 72 h, every 24 h the HCl solution was replaced. The resulting protonated form was separated from the mother liquor, washed with deionized water to a neutral level (pH=7-8), dried at a temperature of 80°C. At the final stage of the synthesis, heat treatment was carried out in a tube furnace at 350°C for 3 h under vacuum, which led to the formation of a dark gray sample. The resulting product belongs to oxygen-deficient TiO2(B) (Figure 1), has a band gap of 3.03 eV (Figure 2) and belongs to the class of dilute magnetic oxide semiconductors since it exhibits ferromagnetic properties at room temperature (Figure 3) .

Пример 2. Щелочную гидротермальную обработку и ионный обмен осуществляли как описано в примере 1. Температурную обработку проводили в трубчатой печи при 350°C в течение 3 ч в атмосфере окружающего воздуха. В результате получали образец диоксида титана со структурной организацией бронз белой окраски, без ферромагнитных свойств.Example 2 Alkaline hydrothermal treatment and ion exchange were carried out as described in Example 1. Temperature treatment was carried out in a tube furnace at 350° C. for 3 hours in ambient air. As a result, a titanium dioxide sample was obtained with the structural organization of white bronzes, without ferromagnetic properties.

Пример 3. Стадии автоклавной обработки в щелочной среде и вытеснения из структуры катионов Na+ протонами производили как указано в примере 1. Температурную обработку осуществляли в среде аргона с использованием трубчатой печи. Полученный таким образом TiO2(B) с наноленточной морфологией - имел светло серую окраску и обладает высокой оптической активностью (Фиг.2), а также магнитными свойствами. Ширина запрещённой зоны такого TiO2(B) составила 3,22 эВ.Example 3. The stages of autoclaving in an alkaline environment and the displacement of Na + cations from the structure by protons were carried out as described in example 1. Temperature treatment was carried out in an argon atmosphere using a tube furnace. Thus obtained TiO2(B) with nanoribbon morphology - had a light gray color and has a high optical activity (Figure 2), as well as magnetic properties. The band gap of such TiO2(B) was 3.22 eV.

Пример 4. Гидротермальный синтез и последующую стадию ионного обмена с отделением и сушкой проводили так же, как в примере 1. Финальную термообработку осуществляли в атмосфере азота в кварцевой трубчатой печи. Синтезированный материал имеет состав, представленный фазой TiO2(B) с дефицитом по кислороду. Окрас продукта - серый. Морфология - лентообразные наночастицы. Материал характеризуется хорошей оптической активностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (Фиг.2). Энергия запрещенной зоны равна 3,20 эВ.Example 4 Hydrothermal synthesis and the subsequent ion exchange step with separation and drying were carried out in the same way as in example 1. The final heat treatment was carried out under nitrogen in a quartz tube furnace. The synthesized material has a composition represented by the oxygen-deficient TiO2(B) phase. The color of the product is grey. Morphology - ribbon-like nanoparticles. The material is characterized by good optical activity in the visible and near infrared ranges (Figure 2). The band gap energy is 3.20 eV.

Claims (1)

Способ получения кислород-дефицитного TiO2(B) со структурой бронз, основанный на щелочной гидротермальной обработке порошка диоксида титана, ионном обмене, сушке и последующей температурной обработке, отличающийся тем, что гидротермальный синтез проводят при температуре 170°C в течение 3 суток, осадок протонируют в растворе 0,05 М соляной кислоты в течение 72 ч со сменой раствора каждые 24 ч, а температурную обработку при 350°C в течение 3 ч осуществляют в вакууме либо в атмосфере азота или аргона.A method for producing oxygen-deficient TiO 2 (B) with a bronze structure based on alkaline hydrothermal treatment of titanium dioxide powder, ion exchange, drying and subsequent thermal treatment, characterized in that hydrothermal synthesis is carried out at a temperature of 170°C for 3 days, sediment protonated in a solution of 0.05 M hydrochloric acid for 72 h with a change of solution every 24 h, and heat treatment at 350°C for 3 h is carried out in a vacuum or in an atmosphere of nitrogen or argon.
RU2023102652A 2023-02-07 Method for producing ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide in the bronze phase RU2801392C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2801392C1 true RU2801392C1 (en) 2023-08-08

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811202C1 (en) * 2023-11-14 2024-01-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) HYBRID NANOCOMPOSITE FUNCTIONAL MATERIAL Na2Ti3O7 -α-Fe2O3

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10139434A (en) * 1996-11-13 1998-05-26 Teika Corp Production of spindle-type titanium dioxide
JP2003128495A (en) * 2001-10-22 2003-05-08 Isao Tanaka Method for producing rutile single crystal
CN101092245A (en) * 2007-07-09 2007-12-26 朱贤荣 Methods for preparing and using crystal seeds of rutile in high activity
RU2575026C1 (en) * 2014-08-06 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) Method of producing crystalline titanium dioxide in anatase structural modification

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10139434A (en) * 1996-11-13 1998-05-26 Teika Corp Production of spindle-type titanium dioxide
JP2003128495A (en) * 2001-10-22 2003-05-08 Isao Tanaka Method for producing rutile single crystal
CN101092245A (en) * 2007-07-09 2007-12-26 朱贤荣 Methods for preparing and using crystal seeds of rutile in high activity
RU2575026C1 (en) * 2014-08-06 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) Method of producing crystalline titanium dioxide in anatase structural modification

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ping Li et al. "Synthesis of mesoporous TiO2-B nanobelts with highly crystalized walls toward efficient H2 evolution" // Nanomaterials (Basel), 2019, V.9,7, р.919-925. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811202C1 (en) * 2023-11-14 2024-01-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) HYBRID NANOCOMPOSITE FUNCTIONAL MATERIAL Na2Ti3O7 -α-Fe2O3

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sharma et al. Sol‐gel–mediated synthesis of TiO2 nanocrystals: Structural, optical, and electrochemical properties
Haque et al. Evaluating photodegradation properties of anatase and rutile TiO2 nanoparticles for organic compounds
Han et al. Synthesis of ZnFe2O4 nanoplates by succinic acid-assisted hydrothermal route and their photocatalytic degradation of rhodamine B under visible light
Akram et al. Continuous microwave flow synthesis (CMFS) of nano-sized tin oxide: Effect of precursor concentration
Zhou et al. Sepiolite-TiO2 nanocomposites for photocatalysis: Synthesis by microwave hydrothermal treatment versus calcination
Yin et al. Low temperature synthesis of nanosize rutile titania crystal in liquid media
Suppuraj et al. Facile synthesis of spinel nanocrystalline ZnFe2O4: enhanced photocatalytic and microbial applications
Shen et al. Microemulsion-mediated solvothermal synthesis and photocatalytic properties of crystalline titania with controllable phases of anatase and rutile
Gao et al. Controlled facile synthesis and photocatalytic activity of ultrafine high crystallinity TiO2 nanocrystals with tunable anatase/rutile ratios
García-Contreras et al. Synthesis, characterization and study of the structural change of nanobelts of TiO2 (H2Ti3O7) to nanobelts with anatase, brookite and rutile phases
Mohan et al. Water-dispersible TiO 2 nanoparticles via a biphasic solvothermal reaction method
Jaramillo-Páez et al. A comparative assessment of the UV-photocatalytic activities of ZnO synthesized by different routes
US20170267542A1 (en) Synthesis method for tio2 nanocrystal
Myint et al. The effect of heat treatment on phase transformation and morphology of nano-crystalline titanium dioxide (TiO2)
CN106423120A (en) Preparation method of nanometer needle-shaped titanium dioxide B photocatalyst
CN101734715A (en) Method for preparing rutile titania nanoparticles
RU2801392C1 (en) Method for producing ferromagnetic oxygen-deficient titanium dioxide in the bronze phase
CN103964502B (en) A kind of nano-TiO 2monocrystal material and its preparation method and application
Zou et al. Controllable preparation of flower-like brookite TiO2 nanostructures via one-step hydrothermal method
CN113896231A (en) Preparation method of titanium dioxide material
Kurajica et al. The utilization of modified alkoxide as a precursor for solvothermal synthesis of nanocrystalline titania
Singh et al. Synthesis and photocatalytic activity of anatase TiO2 nanoparticles for degradation of methyl orange
Yan et al. Treatment of dye wastewater using hydrothermally prepared nano-TiO 2 under natural light
Padmanabhan et al. Effect of reaction variables on facet-controlled synthesis of anatase TiO2 photocatalysts
Tavares et al. Fast photocatalytic degradation of an organic dye and photoluminescent properties of Zn doped In (OH) 3 obtained by the microwave-assisted hydrothermal method