Фотокаталитические свойства наноструктур Ag–AgBr в ионообменном слое натриево-цинк-алюмосиликатного стекла с бромом

Предмет исследования. Исследованы фотокаталитические свойства наноструктур Ag–AgBr, сформированных методом низкотемпературного ионного обмена с последующей термообработкой в натриево-цинкалюмосиликатном стекле с бромом.

Метод. Синтезировано стекло на основе матрицы Na₂O–ZnO–Al₂O₃–SiO₂, легированной оксидами сурьмы Sb₂O₃, церия CeО₂ и бромом. Методом ионного обмена на поверхности натриево-цинк-алюмосиликатного стекла сформирован слой, содержащий ионы серебра. Образцы были погружены в смесь нитратов 5AgNO₃/95NaNO₃ ( м ол.%) при температуре 320 °C в течение двух часов. Последующая термообработка при 500 °С привела к формированию наноструктур Ag–AgBr в поверхностном слое. Фотокаталитические свойства Ag–AgBr наноструктур на поверхности стекла измерены по деградации метилового оранжевого красителя.

Основные результаты. Проведено комплексное исследование спектральных и фотокаталитических свойств Ag–AgBr наноструктур. Показано, что после ионного обмена и термообработки сформировалась кристаллическая оболочка AgBr размером 6 нм на наночастицах серебра. Установлено, что наличие фотокатализатора с наноструктурами Ag–AgBr в поверхностном слое стекла в процессе ультрафиолетового облучения привело к деградации метилового оранжевого красителя на 77 %. Уменьшение толщины ионообменного слоя до 5 мкм посредством химического травления уменьшило эффективность деградации метилового оранжевого красителя до 15 %.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть применимы в устройствах для фотокаталитического разложения воды при получении водорода.

1. Сосна М.Х., Масленникова М.В., Крючков М.В., Пустовалов М.В. «Зеленый» и/или «голубой» водород // Нефтегазохимия. 2020. № 3-4. С. 21–23. https://doi.org/10.24412/2310-8266-2020-3-4-21-23

2. Fu X., Chang H., Shang Z., Liu P., Liu J., Luo H. Three-dimensional Cu2O nanorods modified by hydrogen treated Ti3C2TX MXene with enriched oxygen vacancies as a photocathode and a tandem cell for unassisted solar water splitting // Chemical Engineering Journal. 2020. V. 381. P. 122001. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122001

3. Wang L., Si W., Hou X., Wang M., Liu X., Ye Y., Hou F., Liang J. Novel integrated strategies toward efficient and stable unassisted photoelectrochemical water splitting // Sustainable Materials and Technologies. 2020. V. 25. P. e00209. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00209

4. Liu Z., Hou W., Pavaskar P., Aykol M., Cronin S.B. Plasmon resonant enhancement of photocatalytic water splitting under visible illumination // Nano Letters. 2011. V. 11. N 3. P. 1111–1116. https://doi.org/10.1021/nl104005n

5. Hu Q., Liu B., Zhang Z., Song M., Zhao X. Temperature effect on the photocatalytic degradation of methyl orange under UV-vis light irradiation // Journal of Wuhan University of Technology-Mater Science Edition. 2010. V. 25. N 2. P. 210–213. https://doi.org/10.1007/s11595-010-2210-5

6. Kumar P., Govindaraju M., Senthamilselvi S., Premkumar K. Photocatalytic degradation of methyl orange dye using silver (Ag) nanoparticles synthesized from Ulva lactuca // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013. V. 103. P. 658–661. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2012.11.022

7. Jiang J., Li H., Zhang L. New insight into daylight photocatalysis of AgBr@Ag: Synergistic effect between semiconductor photocatalysis and plasmonic photocatalysis // Chemistry — A European Journal. 2012. V. 18. N 20. P. 6360–6369. https://doi.org/10.1002/ chem.201102606

8. Wang H., Gao J., Guo T., Wang R., Guo L., Liu Y., Li J. Facile synthesis of AgBr nanoplates with exposed {111} facets and enhanced photocatalytic properties // Chemical Communications. 2012. V. 48. N 2. P. 275–277. https://doi.org/10.1039/c1cc16423f

9. Dong R., Tian B., Zeng C., Li T., Wang T., Zhang J. Ecofriendly synthesis and photocatalytic activity of uniform cubic Ag@AgCl plasmonic photocatalyst // Journal of Physical Chemistry C. 2013. V. 117. N 1. P. 213–220. https://doi.org/10.1021/jp311970k

10. Han L., Wang P., Zhu C., Zhai Y., Dong S. Facile solvothermal synthesis of cube-like Ag@AgCl: a highly efficient visible light photocatalyst // Nanoscale. 2011. V. 3. N 7. P. 2931–2935. https://doi.org/10.1039/c1nr10247h

11. Wang P., Huang B., Zhang X., Qin X., Jin H., Dai Y., Wang Z., Wei J., Zhan J., Wang S., Wang J., Whangbo M. Highly efficient visible-light plasmonic photocatalyst Ag@AgBr // Chemistry - A European Journal. 2009. V. 15. N 8. P. 1821–1824. https://doi.org/10.1002/chem.200802327

12. Saravanan R., Manoj D., Qin J., Naushad M., Gracia F., Lee A.F., Khan M.M., Gracia-Pinilla M.A. Mechanothermal synthesis of Ag/ TiO2 for photocatalytic methyl orange degradation and hydrogen production // Process Safety and Environmental Protection. 2018. V. 120. P. 339–347. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.09.015

13. Shakeel M., Li B., Arif M., Yasin G., Rehman W., Khan A.U., Khan S., Khan A., Ali J. Controlled Synthesis of highly proficient and durable hollow hierarchical heterostructured (Ag-AgBr/HHST): A UV and Visible light active photocatalyst in degradation of organic pollutants // Applied Catalysis B: Environmental. 2018. V. 227. P. 433–445. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.01.037

14. Li L., Yang X., Xie C., Wang Y., Wei L., Yang J. Synthesis and photocatalytic mechanism of visible-light-driven Ag/AgBr/(I/S) composites for organic dyes degradation // Optical Materials. 2022. V. 123. P. 111947. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111947

15. Sgibnev Y.M., Nikonorov N.V., Ignatiev A.I. High efficient luminescence of silver clusters in ion-exchanged antimony-doped photo-thermo-refractive glasses: Influence of antimony content and heat treatment parameters // Journal of Luminescence. 2017. V. 188. P. 172–179. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.04.028

16. Sgibnev Y., Asamoah B., Nikonorov N., Honkanen S. Tunable photoluminescence of silver molecular clusters formed in Na+-Ag+ ion-exchanged antimony-doped photo-thermo-refractive glass matrix // Journal of Luminescence. 2020. V. 226. P. 117411. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117411

17. Dubrovin V., Nikonorov N., Ignatiev A. Bromide photo-thermorefractive glass for volume Bragg gratings and waveguide structure recording // Optical Materials Express. 2017. V. 7. N 7. P. 2280–2292. https://doi.org/10.1364/OME.7.002280

18. Dubrovin V.D., Ignatiev A.I., Nikonorov N.V. Chloride photo-thermorefractive glasses // Optical Materials Express. 2016. V. 6. N 5. P. 1701–1713. https://doi.org/10.1364/ome.6.001701

19. Sgibnev Y. , Nikonorov N., Ignatiev A. Governing functionality of silver ion-exchanged photo-thermo-refractive glass matrix by small additives // Applied Sciences. 2021. V. 11. N 9. P. 3891. https://doi.org/10.3390/app11093891

20. White J.M., Heidrich P.F. Optical waveguide refractive index profiles determined from measurement of mode indices: a simple analysis // Applied Optics. 1976. V. 15. N 1. P. 151–155. https://doi.org/10.1364/AO.15.000151

21. Patterson A.L. The Scherrer formula for X-ray particle size determination // Physical Review. 1939. V. 56. N 10. P. 978. https:// doi.org/10.1103/PhysRev.56.978

22. Devesa S., Rooney A.P., Graça M.P., Cooper D., Costa L.C. Williamson-hall analysis in estimation of crystallite size and lattice strain in Bi1.34Fe0.66Nb1.34O6.35 prepared by the sol-gel method // Materials Science & Engineering B. 2021. V. 263. P. 114830. https:// doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114830

23. Mustapha S., Ndamitso M., Abdulkareem A.S., Tijani J.O., Shuaib D.T., Mohammed A.K., Sumaila A. Comparative study of crystallite size using Williamson-Hall and Debye-Scherrer plots for ZnO nanoparticles // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2019. V. 10. N 4. P. 045013. https://doi.org/10.1088/2043-6254/ab52f7

24. Leontyev I.N., Kuriganova A.B., Allix M., Rakhmatullin A., Timoshenko P.E., Maslova O.A., Mikheykin A.S., Smirnova N.V. On the evaluation of the average crystalline size and surface area of platinum catalyst nanoparticles // Physica Status Solidi (B). 2018. V. 255. N 10. P. 1800240. https://doi.org/10.1002/pssb.201800240

25. Bokuniaeva A.O., Vorokh A.S. Estimation of particle size using the Debye equation and the Scherrer formula for polyphasic TiO2 powder // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1410. N 1. P. 012057. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012057

26. Sgibnev Y.M., Nikonorov N.V., Vasilev V.N., Ignatiev A.I. Optical gradient waveguides in photo-thermo-refractive glass formed by ion exchange method // Journal of Lightwave Technology. 2015. V. 33. N 17. P. 3730–3735. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2456239

27. Sgibnev E.M., Ignatiev A.I., Nikonorov N.V., Efimov A.M., Postnikov E.S. Effects of silver ion exchange and subsequent treatments on the UV–VIS spectra of silicate glasses. I. Undoped, CeO2-doped, and (CeO2+Sb2O3)-codoped photo-thermo-refractive matrix glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2013. V. 378. P. 213–226. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.07.010

28. Findakly V. Glass waveguides by ion exchange: a review // Optical Engineering. 1985. V. 24. N 2. P. 244–250. https://doi.org/10.1117/12.7973463

29. Miao X., Ji Z., Wu J., Shen X., Wang J., Kong L., Liu M., Song C. g-C3N4/AgBr nanocomposite decorated with carbon dots as a highly efficient visible-light-driven photocatalyst // Journal of Colloid and Interface Science. 2017. V. 502. P. 24–32. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.04.087

30. Xie R., Zhang L., Xu H., Zhong Y., Sui X., Mao Z. Fabrication of Z-scheme photocatalyst Ag-AgBr@Bi20TiO32 and its visible-light photocatalytic activity for the degradation of isoproturon herbicide // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2015. V. 406. P. 194– 203. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2015.05.028

31. Kuai L., Geng B., Chen X., Zhao Y., Luo Y. Facile subsequently lightinduced route to highly efficient and stable sunlight-driven Ag-AgBr plasmonic photocatalyst // Langmuir. 2010. V. 26. N 24. P. 18723–18727. https://doi.org/10.1021/la104022g

32. Никоноров Н.В., Евстропьев С.К. Оптическое материаловедение: Основы прочности оптического стекла: учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. 102 c.