Синтез нанотрубок діоксиду титану з мінералу ільменіту за допомогою постгідротермальної обробки та їхні фотокаталітичні характеристики

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.255145

Ключові слова:

нанотрубка TiO2, постгідротермальний, розмір кристалітів, ширина забороненої зони, фотокаталітичний, мінерал ільменіт

Анотація

Ільменіт (FeTiO3) є підходящим мінералом для отримання діоксиду титану (TiO2) для фотокаталізаторів. Тому дане дослідження було проведено для синтезу матеріалу TiO2 з оксисульфату титану (TiOSO4), вилученого з місцевого індонезійського мінералу ільменіту (FeTiO3) та модифікації цього матеріалу в нанотрубки TiO2 за допомогою гідротермального процесу при 150 °C протягом 24 годин з подальшою постгідротермальною обробкою зі змінами температури 80, 100, 120 і 150 °C протягом 12 годин. Метою роботи було вивчення впливу постгідротермальних змін на кристалічну структуру, морфологію та оптичні властивості отриманих нанотрубок TiO2. За допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) було виявлено, що нанотрубка TiO2 була успішно отримана з попередника ільменіту. Крім того, рентгеноструктурний аналіз (РСА) кристалічної структури нанотрубки показав, що постгідротермальна обробка підвищує кристалічність фази анатазу TiO2, незважаючи на присутність у структурі фази титанату натрію. Було також виявлено, що підвищення постгідротермальної температури з 80 до 150 °C призвело до:

1) зменшення обсягу елементарної комірки з 136,37 до 132,31 Å3 та зменшення постійної решітки c з 9,519 до 9,426 Å;

2) збільшення щільності з 7,783 до 8,081 г/см3, а також розміру кристалітів з 19,185 до 25,745 нм;

3) зменшення ширини забороненої зони (Eg) з 3,33 до 3,02 еВ.

Дані властивості додатково вказують на здатність фотокаталітичних характеристик нанотрубок підвищувати ефективність розкладання з 87,69 до 97,11 %. Це означає, що нанотрубки TiO2, вилучені з місцевого FeTiO3, можуть забезпечити бажану кристалічну структуру та фотокаталітичні характеристики

Спонсор дослідження

  • The authors thank the Director of Research and Development and the Directorate of Research and Development, the University of Indonesia for funding this research through the International Indexed Publication Grant (PUTI Doctor) Year 2020 under contract number: BA-829/UN2. RST/PPM. 00.03.01/2020 as well as the Education Fund Management Institute (LPDP) of the Ministry of Foreign Affairs of the Republic of Indonesia for the fund provided through the Funding for Productive Innovative Research (RISPRO) Mandatory National Research Priority Theme (PRN) Part I with contract number: 83/ E1/PRN/2020. Our gratitude also goes to the reviewers for all the constructive feedback and comments

Біографії авторів

Ahmad Fauzi, Universitas Indonesia (UI)

Doctor of Engineering, Doctoral Student

Department of Metallurgical and Materials Engineering

Latifa Hanum Lalasari, National Research and Innovation Agency (BRIN)

Doctor of Engineering, Senior Researcher

Research Center for Metallurgy

Nofrijon Sofyan, Universitas Indonesia (UI)

Doctor of Engineering, Associate Professor

Department of Metallurgical and Materials Engineering

Alfian Ferdiansyah, Universitas Indonesia (UI)

Doctor of Engineering, Junior Lecturer

Department of Metallurgical and Materials Engineering

Donanta Dhaneswara, Universitas Indonesia (UI)

Doctor of Engineering, Associate Professor

Department of Metallurgical and Materials Engineering

Akhmad Herman Yuwono, Universitas Indonesia (UI)

Doctor of Engineering, Professor

Department of Metallurgical and Materials Engineering

Посилання

  1. Al-Mamun, M. R., Kader, S., Islam, M. S., Khan, M. Z. H. (2019). Photocatalytic activity improvement and application of UV-TiO2 photocatalysis in textile wastewater treatment: A review. Journal of Environmental Chemical Engineering, 7 (5), 103248. doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2019.103248
  2. Peralta-Zamora, P., Kunz, A., de Moraes, S. G., Pelegrini, R., de Campos Moleiro, P., Reyes, J., Duran, N. (1999). Degradation of reactive dyes I. A comparative study of ozonation, enzymatic and photochemical processes. Chemosphere, 38 (4), 835–852. doi: https://doi.org/10.1016/s0045-6535(98)00227-6
  3. Gardiner, D. K., Borne, B. J. (1978). Textile Waste Waters: Treatment and Environmental Effects. Journal of the Society of Dyers and Colourists, 94 (8), 339–348. doi: https://doi.org/10.1111/j.1478-4408.1978.tb03420.x
  4. Rafatullah, M., Sulaiman, O., Hashim, R., Ahmad, A. (2010). Adsorption of methylene blue on low-cost adsorbents: A review. Journal of Hazardous Materials, 177 (1-3), 70–80. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.12.047
  5. Chen, D., Cheng, Y., Zhou, N., Chen, P., Wang, Y., Li, K. et. al. (2020). Photocatalytic degradation of organic pollutants using TiO2-based photocatalysts: A review. Journal of Cleaner Production, 268, 121725. doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121725
  6. Humayun, M., Raziq, F., Khan, A., Luo, W. (2018). Modification strategies of TiO2 for potential applications in photocatalysis: a critical review. Green Chemistry Letters and Reviews, 11 (2), 86–102. doi: https://doi.org/10.1080/17518253.2018.1440324
  7. Nguyen, V. N., Nguyen, N. K. T., Nguyen, P. H. (2011). Hydrothermal synthesis of Fe-doped TiO2 nanostructure photocatalyst. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2 (3), 035014. doi: https://doi.org/10.1088/2043-6262/2/3/035014
  8. Liu, N., Chen, X., Zhang, J., Schwank, J. W. (2014). A review on TiO2-based nanotubes synthesized via hydrothermal method: Formation mechanism, structure modification, and photocatalytic applications. Catalysis Today, 225, 34–51. doi: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.10.090
  9. Vu, T. H. T., Au, H. T., Tran, L. T., Nguyen, T. M. T., Tran, T. T. T., Pham, M. T. et. al. (2014). Synthesis of titanium dioxide nanotubes via one-step dynamic hydrothermal process. Journal of Materials Science, 49 (16), 5617–5625. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-014-8274-4
  10. Kasuga, T., Hiramatsu, M., Hoson, A., Sekino, T., Niihara, K. (1999). Titania nanotubes prepared by chemical processing. Advanced Materials, 11 (15), 1307–1311. doi: https://doi.org/10.1002/(sici)1521-4095(199910)11:15<1307::aid-adma1307>3.0.co;2-h
  11. Yuwono, A. H., Ferdiansyah, A., Sofyan, N., Kartini, I., Pujianto, T. H., Iskandar, F., Abdullah, M. (2011). TiO2 Nanotubes of Enhanced Nanocrystallinity and Well-Preserved Nanostructure by Pre-Annealing and Post-Hydrothermal Treatments. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.3667246
  12. Samal, S., Mohapatra, B. K., Mukherjee, P. S. (2010). The Effect of Heat Treatment on Titania Slag. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 09 (09), 795–809. doi: https://doi.org/10.4236/jmmce.2010.99057
  13. Subagja, R., Andriyah, L., Lalasari, L. H. (2013). Titanium Dissolution from Indonesian Ilmenite. International Journal of Basic & Applied Sciences IJBAS-IJENS, 13, 97–103. Available at: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.658.6995&rep=rep1&type=pdf
  14. Mackey, T. S. (1994). Upgrading ilmenite into a high-grade synthetic rutile. JOM, 46 (4), 59–64. doi: https://doi.org/10.1007/bf03220676
  15. Liang, B., Li, C., Zhang, C., Zhang, Y. (2005). Leaching kinetics of Panzhihua ilmenite in sulfuric acid. Hydrometallurgy, 76 (3-4), 173–179. doi: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2004.10.006
  16. Ponaryadov, A. V., Kotova, O. B., Tihtih, M., Sun, S. (2020). Natural titanium dioxide nanotubes. Epitoanyag - Journal of Silicate Based and Composite Materials, 72 (5), 152–155. doi: https://doi.org/10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.25
  17. Rohmawati, L., Istiqomah, Wulancahayani, E., Haefdea, A., Setyaningsih, W. (2020). Nanocrystaline Titanium Dioxide Nanotube (TDN) by Hydrothermal Method From Tulungagung Mineral Sand. Proceedings of the International Conference on Research and Academic Community Services (ICRACOS 2019). doi: https://doi.org/10.2991/icracos-19.2020.22
  18. Ranjitha, A., Muthukumarasamy, N., Thambidurai, M., Velauthapillai, D., Agilan, S., Balasundaraprabhu, R. (2015). Effect of reaction time on the formation of TiO2 nanotubes prepared by hydrothermal method. Optik, 126 (20), 2491–2494. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.06.022
  19. Camposeco, R., Castillo, S., Navarrete, J., Gomez, R. (2016). Synthesis, characterization and photocatalytic activity of TiO2 nanostructures: Nanotubes, nanofibers, nanowires and nanoparticles. Catalysis Today, 266, 90–101. doi: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2015.09.018
  20. López Zavala, M. Á., Lozano Morales, S. A., Ávila-Santos, M. (2017). Synthesis of stable TiO 2 nanotubes: effect of hydrothermal treatment, acid washing and annealing temperature. Heliyon, 3 (11), e00456. doi: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2017.e00456
  21. Zulfiqar, M., Omar, A. A., Chowdhury, S. (2016). Synthesis and characterization of single-layer TiO2 nanotubes. Advanced Materials Research, 1133, 501–504. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.1133.501
  22. Cullity, B. (1978). Elements of X-Ray Diffraction. Addison Wesley.
  23. Tauc, J., Grigorovici, R., Vancu, A. (1966). Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Germanium. Physica Status Solidi (b), 15 (2), 627–637. doi: https://doi.org/10.1002/pssb.19660150224
  24. Viet, P. V., Huy, T. H., You, S.-J., Hieu, L. V., Thi, C. M. (2018). Hydrothermal synthesis, characterization, and photocatalytic activity of silicon doped TiO2 nanotubes. Superlattices and Microstructures, 123, 447–455. doi: https://doi.org/10.1016/j.spmi.2018.09.035
  25. Kumar, K. V., Porkodi, K., Rocha, F. (2008). Langmuir–Hinshelwood kinetics – A theoretical study. Catalysis Communications, 9 (1), 82–84. doi: https://doi.org/10.1016/j.catcom.2007.05.019
  26. Rezaee, M., Mousavi Khoie, S. M., Liu, K. H. (2011). The role of brookite in mechanical activation of anatase-to-rutile transformation of nanocrystalline TiO2: An XRD and Raman spectroscopy investigation. CrystEngComm, 13 (16), 5055. doi: https://doi.org/10.1039/c1ce05185g
  27. Yang, J., Jin, Z., Wang, X., Li, W., Zhang, J., Zhang, S. et. al. (2003). Study on composition, structure and formation process of nanotube Na2Ti2O4(OH)2. Dalton Transactions, 20, 3898. doi: https://doi.org/10.1039/b305585j
  28. Yuwono, A. H., Sofyan, N., Kartini, I., Ferdiansyah, A., Pujianto, T. H. (2011). Nanocrystallinity enhancement of TiO2 nanotubes by post-hydrothermal treatment. Advanced Materials Research, 277, 90–99. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.277.90
  29. Djerdj, I., Tonejc, A. M. (2006). Structural investigations of nanocrystalline TiO2 samples. Journal of Alloys and Compounds, 413 (1-2), 159–174. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.02.105
  30. Yuwono, A. H., Liu, B., Xue, J., Wang, J., Elim, H. I., Ji, W. et. al. (2004). Controlling the crystallinity and nonlinear optical properties of transparent TiO2–PMMA nanohybrids. J. Mater. Chem., 14 (20), 2978–2987. doi: https://doi.org/10.1039/b403530e
  31. An, Y., Li, Z., Xiang, H., Huang, Y., Shen, J. (2011). First-principle calculations for electronic structure and bonding properties in layered Na2Ti3O7. Open Physics, 9 (6). doi: https://doi.org/10.2478/s11534-011-0072-x
  32. Moradi, V., Jun, M. B. G., Blackburn, A., Herring, R. A. (2018). Significant improvement in visible light photocatalytic activity of Fe doped TiO2 using an acid treatment process. Applied Surface Science, 427, 791–799. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.09.017
  33. Asiltürk, M., Sayılkan, F., Arpaç, E. (2009). Effect of Fe3+ ion doping to TiO2 on the photocatalytic degradation of Malachite Green dye under UV and vis-irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 203 (1), 64–71. doi: https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2008.12.021
  34. Latifa, H., Yuwono, A. H., Firdiyono, F., Rochman, N. T., Harjanto, S., Suharno, B., (2013). Controlling the Nanostructural Characteristics of TiO2 Nanoparticles Derived from Ilmenite Mineral of Bangka Island through Sulfuric Acid Route. Applied Mechanics and Materials, 391, 34–40. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.391.34
  35. Chen, W., Guo, X., Zhang, S., Jin, Z. (2007). TEM study on the formation mechanism of sodium titanate nanotubes. Journal of Nanoparticle Research, 9 (6), 1173–1180. doi: https://doi.org/10.1007/s11051-006-9190-6
  36. Morgan, D. L., Triani, G., Blackford, M. G., Raftery, N. A., Frost, R. L., Waclawik, E. R. (2011). Alkaline hydrothermal kinetics in titanate nanostructure formation. Journal of Materials Science, 46 (2), 548–557. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-010-5016-0
  37. Sreekantan, S., Wei, L. C. (2010). Study on the formation and photocatalytic activity of titanate nanotubes synthesized via hydrothermal method. Journal of Alloys and Compounds, 490 (1-2), 436–442. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.10.030
  38. Kotani, Y., Matsuda, A., Kogure, T., Tatsumisago, M., Minami, T. (2001). Effects of Addition of Poly(ethylene glycol) on the Formation of Anatase Nanocrystals in SiO2−TiO2 Gel Films with Hot Water Treatment. Chemistry of Materials, 13 (6), 2144–2149. doi: https://doi.org/10.1021/cm001419r
  39. Wang, L.-Q., Baer, D. R., Engelhard, M. H., Shultz, A. N. (1995). The adsorption of liquid and vapor water on TiO2(110) surfaces: the role of defects. Surface Science, 344 (3), 237–250. doi: https://doi.org/10.1016/0039-6028(95)00859-4
  40. Reza, K. M., Kurny, A., Gulshan, F. (2015). Parameters affecting the photocatalytic degradation of dyes using TiO2: a review. Applied Water Science, 7 (4), 1569–1578. doi: https://doi.org/10.1007/s13201-015-0367-y

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-04-30

Як цитувати

Fauzi, A., Lalasari, L. H., Sofyan, N., Ferdiansyah, A., Dhaneswara, D., & Yuwono, A. H. (2022). Синтез нанотрубок діоксиду титану з мінералу ільменіту за допомогою постгідротермальної обробки та їхні фотокаталітичні характеристики . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(12 (116), 15–29. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.255145

Номер

Том 2 № 12 (116) (2022): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Ahmad Fauzi, Latifa Hanum Lalasari, Nofrijon Sofyan, Alfian Ferdiansyah, Donanta Dhaneswara, Akhmad Herman Yuwono

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.