Ex-situ модифицирование наноструктурированного гидроксиапатита коллоидными частицами CdS

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье обсуждается возможность получения функциональных композиционных материалов, обладающих выраженными фотокаталитическими свойствами. Разработан гибридный композиционный материал на основе наноразмерного сульфида кадмия, закрепленного на матрице гидроксиапатита, полученного методом осаждения из раствора. Исходные компоненты и синтезированные образцы были аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа: рентгенофазовый анализ, энергодисперсионный рентгеновский анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, сканирующая электронная микроскопия, метод Брунауэра-Эммета-Теллера. Исследованы функциональные характеристики разработанного композиционного материала Ca 10( PO 4)6( OH )2- CdS , в частности, фотокаталитическая активность под действием ультрафиолетового или видимого излучения. Эффективность использования разработанного композиционного материала в качестве фотокатализатора оценивали по скорости окисления п-дигидроксибензол (гидрохинона). На основании полученных экспериментальных данных рассчитаны значения констант скорости реакции фотокаталитического окисления гидрохинона и времени его полупревращения при различных условиях (излучение, присутствие катализатора). Доказано, что разработанный композиционный материал, представляющий собой гидроксиапатит, модифицированный коллоидными частицами CdS , обладает выраженными каталитическими свойствами и является перспективным материалом для использования в качестве фотокатализатора. На разработанный композиционный материал подана заявка на патент.

Об авторах

Наталья Сергеевна Кожевникова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН; Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории неорганического синтеза, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»; доцент кафедры физической и коллоидной химии, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Екатерина Анатольевна Богданова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН; АО «Гиредмет»

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»; ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств для водородной энергетики, АО «Гиредмет»

Владимир Михайлович Скачков

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

Email: skachkov@ihim.uran.ru
к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов

Инна Викторовна Бакланова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А.Л. Ивановского

Александр Петрович Тютюнник

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., заведующий лабораторией структурного и фазового анализа

Лариса Юрьевна Булдакова

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа

Михаил Юрьевич Янченко

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН

к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа

Антон Александрович Юшков

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

к.ф-м.н., научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел Института естественных наук и математики

Список литературы

  1. Yepseu, A.P. Hot injection synthesis of CuS decorated CdS and ZnS nanomaterials from metal thiosemicarbazone complexes as single source precursors: Application in the photocatalytic degradation of methylene blue / A.P. Yepseu, L.E.T Ngoudjou, G.A. Tigwere et al. // Inorganic Chemistry Communications. - 2024. - V. 166. - Art. № 112650. - 10 p. doi: 10.1016/j.inoche.2024.112650.
  2. Alrababah, Y.M. Wurtzite CdS ratio tunability on α-Fe2O3/CdS synergistic heterostructure for enhanced UV-induced photocatalytic decomposition of rhodamine 6G dye pollutant / Y.M. Alrababah, C.K. Sheng // Alexandria Engineering Journal. - 2024. - V. 100. - P. 300-311. doi: 10.1016/j.aej.2024.05.050.
  3. Raju, A.G. Fabrication of a heterostructure composite with CuO and FeS2 as efficient photocatalyst for decolourisation of brilliant green / A.G. Raju, B.D. Rao, G. Himabindu, S.M. Botsa // Journal of Materials Research and Technology. - 2022. - V. 17. - P. 2648-2656. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.01.166.
  4. Zgura, I. Cytotoxicity, antioxidant, antibacterial, and photocatalytic activities of ZnO-CdS powders / I. Zgura, N. Preda, M. Enculescu et al. // Materials. - 2020. - V. 13. - I. 1. - Art. № 182. - 17 p. doi: 10.3390/ma13010182.
  5. Pouretedal, H.R. Characterization and photocatalytic activity of ZnO, ZnS, ZnO/ZnS, CdO, CdS and CdO/CdS nanoparticles in mesoporous SBA-15 / H.R. Pouretedal, S. Basati // Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. - 2015. - V. 34. - I. 1. - P. 11-19. doi: 10.30492/ijcce.2015.12617.
  6. Aziz, N.A.B. Impact of CuO loading for enhanced photocatalytic performance of CdS/CuO photocatalyst on rhodamine 6G dye decomposition under ultraviolet irradiation / N.A.B. Aziz, C.K. Sheng // Materials Letters. - 2023. - V. 47. - Art. № 134589. - 4 p. doi: 10.1016/j.matlet.2023.134589.
  7. Khan, M.D. Designing of visible light active composites of CuS and ZnO for improved photocatalytic performance under solar light irradiation / M.D. Khan, M.H. Farooq, F. Iqra, A. Zulfiqar, M. Rizwan // Optik. - 2022. - V. 271. - Art. № 170147. - 9 p. doi: 10.1016/j.ijleo.2022.170147.
  8. Weldegebrieal, G.K. Photocatalytic activity of biosynthesized α-Fe2O3 nanoparticles for the degradation of methylene blue and methyl orange dyes / G.K. Weldegebrieal, A.K. Sibhatu // Optik. - 2021. - V. 241. - Art. № 167226. - 15 p. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167226.
  9. Huang, W. Characterization of structural, optical and photocatalytic properties of yttrium modified hematite (α-Fe2O3) nanocatalyst / W. Huang, X. Lu, D. Jia et al. // Ceramics International. - 2023. - V. 49. - I. 15. - P. 25602-25611. doi: 10.1016/j.ceramint.2023.05.101.
  10. Hwang, I.S. Hydrogen-treated TiO2 nanorods decorated with bimetallic Pd-Co nanoparticles for photocatalytic degradation of organic pollutants and bacterial inactivation / I.S. Hwang, V. Manikandan, R.P. Patil // ACS Applied Nano Materials. - 2023. - V. 6. - I. 3. - P. 1562-1572. doi: 10.1021/acsanm.2c04160.
  11. Duan, X. Photocatalytic degradation of VOC waste gas in petrochemical sewage fields / X. Duan, Y. Qian, J. Wu et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2022. - V. 61. - I. 51. - P. 18676-18684. doi: 10.1021/acs.iecr.2c03272.
  12. Sharmin, F. Highly efficient photocatalytic degradation of hazardous industrial and pharmaceutical pollutants using gadolinium doped BiFeO3 nanoparticles / F. Sharmin, M.A. Basith // Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - V. 901. - I. 65. - Art. № 163604. - 12 p. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.163604.
  13. Bora, L.V. Solar photocatalytic pathogenic disinfection: fundamentals to state-of-the-art / L.V. Bora // Water Science and Engineering. - 2022. - V. 16. - I. 2. - P. 132-142. doi: 10.1016/j.wse.2022.12.005.
  14. Hossain, Md.S. Exploration of photo-catalytic activity of nano-hydroxyapatite based on the crystallographic parameters: Estimation of crystallite size using X-ray diffraction data/ Md. S. Hossain, S. Sarkar, S. Tarannum et al. // Journal of Saudi Chemical Society. - 2023. - V. 27 - I. 6. - Art. № 101769. - 13 p. doi: 10.1016/j.jscs.2023.101769.
  15. Singh, H. Formation of magnetite-based ceramic materials and their photocatalytic applications / H. Singh, A. Bokare, A. Kumar et al. // In book: Advanced Ceramics for Versatile Interdisciplinary Applications (Elsevier Series on Advanced Ceramic Materials). - 2022. - Chapter 6. - P. 115-146. doi: 10.1016/B978-0-323-89952-9.00016-6.
  16. Liu, Y. Metal or metal-containing nanoparticle@MOF nanocomposites as a promising type of photocatalyst / Y. Liu, Z. Liu, D. Huang et al. // Coordination Chemistry Reviews. - 2019. - V. 388. - P. 63-78. doi: 10.1016/j.ccr.2019.02.031.
  17. Aziz, N.A. Water remediation capability of cubic-phase CdS nanoparticles as photocatalyst on photodegradation of aqueous Rhodamine 6G dye under UV irradiation / N.A. Aziz, C.K. Sheng, H.J. Jie // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. - 2023. - V. 18. - I. 1. - P. 203-210. doi: 10.15251/DJNB.2023.181.203.
  18. Sheng, C.K. Annealing temperature-dependent CdS phase tunability in improving photocatalytic efficiency towards aquatic dye decomposition / C.K. Sheng, N.A.B. Aziz, Y.M. Alrababah // Results in Materials. - 2023. - V. 19. - Art. № 100445. - 6 p. doi: 10.1016/j.rinma.2023.100445.
  19. Sheng, C.K. pH-induced wurtzite-zinc blende heterogeneous phase formation, optical properties tuning and thermal stability improvement of green synthesized CdS nanoparticles / C.K. Sheng, Y.M. Alrababah // Heliyon. - 2023. - V. 9. - Art. № e15908. - 10 p. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e15908.
  20. Rempel, A.A. Structure of cadmium sulfide nanoparticle micelle in aqueous olutions / A.A. Rempel, N.S. Kozhevnikova, S.V. Rempel // Russian Chemical Bulletin. - 2013. - V. 62. - I. 2. - P. 398-402 doi: 10.1007/s11172-013-0052-y.
  21. Kozhevnikova, N.S. Cadmium sulfide nanoparticles prepared by chemical bath deposition / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Uritskaya // Russian Chemical Reviews. - 2015. - V. 84. - I. 3. - P. 225-250. doi: 10.1070/rcr4452.
  22. Vorokh, A.S. Mechanism of the formationof photosensitive nanostructured TiO2 whith low content CdS nanoparticles / A.S. Vorokh, N.S. Kozhevnikova, I.V. Baklanova et al. // Doklady Physical Chemistry. - 2016. - V. 467. - I. 2. - P. 56-59. doi: 10.1134/S0012501616040059.
  23. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. - М.: Наука, 2006. - 204 с.
  24. Velisoju, V.K. Selective hydrogenation and dehydrogenation using hydroxyapatite-based catalysts / V.K. Velisoju, H.P. Aytam, V. Akula // In book: Design and Applications of Hydroxyapatite-Based Catalysts. Weinheim: Wiley-VCH, 2022. - Chapter 7. - P. 241-268. doi: 10.1002/9783527830190.ch7.
  25. Nasr-Esfahani, M. Alumina/TiO2/hydroxyapatite interface nanostructure composite filters as efficient photocatalysts for the purification of air / M. Nasr-Esfahani, S. Fekri // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. - 2012. - V. 107. - I. 1. - P. 89-103. doi: 10.1007/s11144-012-0457-x.
  26. Navarro-Jaén, S. Evaluation of the oxygen mobility in CePO4-supported catalysts: mechanistic implications on the water-gas shift reaction / S. Navarro-Jaén, L.F. Bobadilla, F. Romero-Sarria, O.H. Laguna, N. Bion, J.A. Odriozola // Journal of Physical Chemistry C. - 2020. - V. 124. - I. 30. - P. 16391-16401. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c03649.
  27. Tawfik, A. Graphene/hydroxyapatite nano-composite for enhancement of hydrogen productivity from delignified duckweed / A. Tawfik, X. Tan, M. Elsamadony et al. // Fuel. - 2022. - V. 330. - Art. № 125537. - 12 p. doi: 10.1016/j.fuel.2022.125537.
  28. Trung, T.S. Valorization of fish and shrimp wastes to nano-hydroxyapatite/chitosan biocomposite for wastewater treatment / T.S. Trung, N.C. Minh, H.N. Cuong et al. // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. - 2022. - V. 7. - I. 4. - Art. № 100485. - 9 p. doi: 10.1016/j.jsamd.2022.100485.
  29. Piccirillo, C. Calcium hydroxyapatite-based photocatalysts for environment remediation: characteristics, performances and future perspectives / C. Piccirillo, P.M.L. Castro // Journal of Environmental Management. - 2017. - V. 193. - P. 79-91. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.01.071.
  30. Sahoo, S.K. Organic-inorganic hybrid hydroquinone bridged V-CdS/HAP/Pd-TCPP: A novel visible light active photocatalyst for phenol degradation / S.K. Sahoo, A.A. Das, D. Deka, B. Naik, N.K. Sahoo // Journal of Molecular Liquids. - 2021. - V. 339. - Art. № 116721. - 12 p. doi: 10.1016/j.molliq.2021.116721.
  31. Yan, T. Self-sacrificing template synthesis of CdS quantum dots/Cd-Hap composite photocatalysts for excellent H2 production under visible light / T. Yan, N. Li, Z. Jiang et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2018. - V. 43. - I. 45. - P. 20616-20626. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.093.
  32. Xiaofang, L. Hollow hydroxyapatite microspheres modified by CdS nanoparticles for efficiently photocatalytic degradation of tetracycline / L. Xiaofang, X. Tianhong, Y. Weifeng, W. Qiang, Z. Rongjiang // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. - 2020. - V. 106. - P. 148-158. doi: 10.1016/j.jtice.2019.10.023.
  33. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. - 5 с.
  34. Пат. 2652193 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии апатита / Богданова Е.А., Сабирзянов Н.А., Скачков В.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2017113484; заявл. 19.04.17; опубл. 25.04.18, Бюл. № 12. - 5 с.
  35. Kozhevnikova, N.S. Preparation of stable colloidal solution of cadmium sulfide CdS using ethylendiaminetetraacetic acid / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Rempel' // Russian Journal of General Chemistry. - 2010. - V. 80. - I. 3. - P. 391-394. doi: 10.1134/S1070363210030035.
  36. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. - 2020. - V. 2. - I. 9. - Art. № 1565. - 7 p. doi: 10.1007/s42452-020-03388-5.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».