Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO<Cu, Fe>, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего

В работе исследована фотокаталитическая активность тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего. Пленки были получены с использованием следующих прекурсоров: ацетат цинка, 2-метоксиэтанол, 2-аминоэтанол, ацетат меди, нитрат железа. Выяснено, что введение в оксид цинка небольших количеств меди улучшает фотокаталитическую активность, а введение железа, напротив, ухудшает. Также в работе предложена модель фотодеградации метиленового синего на полученных образцах.

Ключевые слова: золь-гель технология, фотокатализ, оксид цинка, наноструктурированные пленки.

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]. Поэтому разработка и исследование новых материалов, способных преобразовывать солнечное излучение в тепловую, электрическую и химическую энергии, является одним из приоритетов перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике [2]. Особый интерес в этом направлении представляют полупроводниковые материалы, которые из-за способности фотогенерации свободных носителей заряда могут быть использованы для выработки электроэнергии, а также инициирования химических процессов. Поэтому на сегодняшний день наиболее востребованные солнечные энергетические технологии — это изготовление солнечных батарей и фотокатализаторов. Однако несмотря на усилия и заметные успехи в этих направлениях, возможности технической реализации сдерживаются недостаточной изученностью особенностей процессов, протекающих в структурах и, как следствие, низких значений коэффициента поглощения и квантовой эффективности при преобразовании солнечной энергии [3].

Использование фотокатализаторов для очистки сточных вод предприятий, фотолиза воды, синтеза органического топлива в настоящее время является реальной перспективой, уже вышедшей на уровень пилотных и опытных установок. Несмотря на это, эффективность фотокатализаторов все еще оставляет желать лучшего, и поэтому имеют большую актуальность исследования, направленные на разработку инновационных подходов к синтезу материалов с использованием новых эффектов, позволяющих увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в фотокаталитических процессах [4, 5].

В настоящее время все подходы по улучшению «светособирающих» свойств полупроводниковых фотокатализаторов можно разделить на две группы: расширение области спектра оптического отклика полупроводника и усиление взаимодействия потока света с полупроводником [6]. В настоящей работе проведено исследование влияния целенаправленного легирования оксида цинка катионами металлов (Cu и Fe) на фотокаталитические свойства в модельной реакции окисления метиленового синего.

В качестве прекурсоров для синтеза пленкообразующих золей использовались следующие реагенты: дигидрат ацетата цинка (CH₃COO)₂Zn·2H₂O, 2-метоксиэтанол CH₃OCH₂CH₂OH, 2-аминоэтанол HOCH₂CH₂NH₂, нонагидрат нитрата железа Fe(NO₃)₃·9H₂O, моногидрат ацетата меди (CH₃COO)₂Cu·H₂O — производство Sigma-Aldrich®, США. В качестве подложек было использовано предметное стекло.

Для получения пленок ZnO использовалась следующая методика: 10 г (CH₃COO)₂Zn·2H₂O, 20 мл CH₃OCH₂CH₂OH и 3,2 мл HOCH₂CH₂NH₂ и прекурсоры соответствующих металлов смешивались в круглодонной колбе и перемешивались в течение 15 минут при комнатной температуре до полного растворения ацетата цинка. На втором этапе раствор перемешивался в течение 60 мин при температуре 60 °С с помощью магнитной мешалки. Полученный золь созревал в течение 24 ч при комнатной температуре и наносился на подложки методом погружения (dip-coating).

Формирование ZnO производилось методом центрифугирования. Окончательный отжиг проводился в течение 120 мин при 600 °С.

На рисунке 1 приведена структура поверхности синтезированных образцов, полученная методом атомно-силовой микроскопии.

Рис. 1. Структура поверхности пленок ZnO (а) и ZnO (б), полученных золь-гель методом (по данным атомно-силовой микроскопии)