ОЦІНКА РОЗМІРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОЧАСТИНОК ФОТОКАТАЛІЗАТОРІВ НА ОСНОВІ ОКСИД/ГІДРОКСИДУ МАНГАНУ
DOI:
https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2024.4.6Ключові слова:
наночастинка, розмір, оцінка, оксиди/гідроксиди мангану, фотокаталізАнотація
Оскільки розмір є ключовою характеристикою, що визначає приналежність матеріалу до класу наноматеріалів, його точна оцінка має критичне значення. Крім того, розмір наночастинок (НЧ) впливає на ефективність матеріалу для каталітичних і фотокаталітичних застосувань. Було синтезовано та охарактеризовано низку композиційних матеріалів, що складаються із оксид/гідроксидних сполук мангану з нанотрубками галуазиту, приділяючи особливу увагу параметрам розміру наночастинок, критичних для функціонального застосування. Кілька аналітичних методів, включаючи трансмісійну та скануючу електронну мікроскопію (TEM/SEM) у поєднанні з програмним забезпеченням IMAGJ, динамічне розсіювання світла (DLS) і рентгенівську дифракцію (XRD), використовувалися для оцінки розмірів НЧ. Зразки хімічно синтезували при температурі навколишнього середовища 15–20℃ з розчину MnSO4 за участю окисника H2O2 при контролі pH на рівні 6, 10. Напівширина розподілу за розміром була визначена як ключовий фактор при оцінці помилки, пов’язаної з ефектами розміру в наноматеріалах. Показано, що відносна похибка щодо навіть критичного для квантових ефектів розміру 100 нм становить приблизно 10% для хімічно синтезованих зразків та приблизно 20% для MnO2 Придніпровського хімічного заводу (Україна). Ці значення похибок достатньо великі для кількісних оцінок і підкреслюють потребу в покращеному контролі розподілу за розміром за допомогою оптимізованих умов синтезу, зокрема температури. Крім того, у той час як XRD в основному відображає розміри кристалітів, часто менші за фактичні розміри наночастинок, які спостерігаються за допомогою TEM/SEM, DLS має тенденцію завищувати розміри через агломерацію частинок. Дані щодо розміру частинок досліджуваних зразків, отримані методом Рітвельда, добре узгоджуються із результатами оцінки в програмному забезпеченні IMAGJ для окремих випадків хімічно синтезованих зразків, взятих для аналізу. Комплексна характеристика зразків підкреслює їхній потенціал для майбутніх нанозастосувань, забезпечуючи основу для подальших досліджень і розробок.
Посилання
Feynman, R. P. (2011). There’s plenty of room at the bottom: An invitation to enter a new field of physics. Resonance, 16(9), 890–905. https://doi.org/10.1007/s12045-011-0109-x
Cheng, F., Zhao, J., Song, W., Li, C., Ma, H., Chen, J., & Shen, P. (2006). Facile Controlled Synthesis of MnO2 Nanostructures of Novel Shapes and Their Application in Batteries. Inorganic Chemistry, 45(5), 2038–2044. https://doi.org/10.1021/ic051715b
Liu, X., Chen, C., Zhao, Y., & Jia, B. (2013). A Review on the Synthesis of Manganese Oxide Nanomaterials and Their Applications on Lithium-Ion Batteries. Journal of Nanomaterials, 2013(1), 736375. https://doi.org/10.1155/2013/736375
Dose, W., Sharma, N., Webster, N., Peterson, V., & Donne, S. (2014). Kinetics of the Thermally-Induced Structural Rearrangement of γ-MnO 2. The Journal of Physical Chemistry C, 118, 24257–24265. https://doi.org/10.1021/jp506914j
Qi, L., Liu, Y., Tang, Y., Jiang, X., Xie, F., Wan, L., Wang, Z., Wang, X., & Lü, C. (2024). Highly coupled MnO2/Mn5O8Z-scheme heterojunction modified by Co3O4 co-catalyst: An efficient and stable photocatalyst to decompose gaseous benzene. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 353, 124099. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124099
Yang, R., Fan, Y., Ye, R., Tang, Y., Cao, X., Yin, Z., & Zeng, Z. (2021). MnO2‐Based Materials for Environmental Applications. Advanced Materials, 33. https://doi.org/10.1002/adma.202004862
European Commission. (2011). Commission Recommendation of 18 October 2011 on the definition of nanomaterial Text with EEA relevance. Off. J. Eur. Union(L275),38–40. https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ: L:2011:275:0038:0040:EN:PDF
Kumagai, K. (2015). Optimization of Image Contrast for Size Distribution Measurements of Nanomaterials by Transmission Electron Microscopies Including TEM and T-SEM. Metallography, Microstructure, and Analysis, 4(6), 475–480. https://doi.org/10.1007/s13632-015-0237-x
Desai, B. D., Fernandes, J. B., & Dalal, V. N. K. (1985). Manganese dioxide–A review of a battery chemical Part II. Solid state and electrochemical properties of manganese dioxides. Journal of Power Sources, 16(1), 1–43. https://doi.org/10.1016/0378-7753(85)80001-X
Tang, Y., Zheng, S., Xu, Y., Xiao, X., Xue, H., & Pang, H. (2018). Advanced batteries based on manganese dioxide and its composites. Energy Storage Materials, 12, 284–309. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.02.010
Yunxuan, Z., Chang, C., Teng, F., Zhao, Y., Chen, G., Shi, R., Waterhouse, G., Huang, W., & Zhang, T. (2017). Defect-Engineered Ultrathin δ-MnO2 Nanosheet Arrays as Bifunctional Electrodes for Efficient Overall Water Splitting. Advanced Energy Materials, 2017. https://doi.org/10.1002/aenm.201700005
Meng, Y., Song, W., Huang, H., Ren, Z., Chen, S.-Y., & Suib, S. L. (2014). Structure–Property Relationship of Bifunctional MnO2 Nanostructures: Highly Efficient, Ultra-Stable Electrochemical Water Oxidation and Oxygen Reduction Reaction Catalysts Identified in Alkaline Media. Journal of the American Chemical Society, 136(32), 11452–11464. https://doi.org/10.1021/ja505186m
Li, N., He, M., Lu, X., Liang, L., Li, R., Yan, B., & Chen, G. (2021). Enhanced norfloxacin degradation by visible-light-driven Mn3O4/γ-MnOOH photocatalysis under weak magnetic field. Science of The Total Environment, 761, 143268. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143268
Wang, N., Li, J., Wu, L., Li, X., & Shu, J. (2016). MnO2 and carbon nanotube co-modified C3N4 composite catalyst for enhanced water splitting activity under visible light irradiation. International Journal of Hydrogen Energy, 41(48), 22743–22750. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.10.068
Li, X., Fang, G., Qian, X., & Tian, Q. (2022). Z-scheme heterojunction of low conduction band potential MnO2 and biochar-based g-C3N4 for efficient formaldehyde degradation. Chemical Engineering Journal, 428, 131052. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131052
Crisostomo, V. M. B., Ngala, J. K., Alia, S., Dobley, A., Morein, C., Chen, C.-H., Shen, X., & Suib, S. L. (2007). New Synthetic Route, Characterization, and Electrocatalytic Activity of Nanosized Manganite. Chemistry of Materials, 19(7), 1832–1839. https://doi.org/10.1021/cm062871z
Bai, Z., Sun, B., Fan, N., Ju, Z., Li, M., Xu, L., & Qian, Y. (2012). Branched Mesoporous Mn3O4 Nanorods: Facile Synthesis and Catalysis in the Degradation of Methylene Blue. Chemistry – A European Journal, 18(17), 5319–5324. https://doi.org/10.1002/chem.201102944
Kong, Y., Jiao, R., Zeng, S., Cui, C., Li, H., Xu, S., & Wang, L. (2020). Study on the Synthesis of Mn3O4 Nanooctahedrons and Their Performance for Lithium Ion Batteries. Nanomaterials, 10(2), 367. https://doi.org/10.3390/nano10020367
Nakade, S., Saito, Y., Kubo, W., Kitamura, T., Wada, Y., & Yanagida, S. (2003). Influence of TiO2 Nanoparticle Size on Electron Diffusion and Recombination in Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells. The Journal of Physical Chemistry B, 107(33), 8607–8611. https://doi.org/10.1021/jp034773w
Abdullayev, E., & Lvov, Y. (2013). Halloysite clay nanotubes as a ceramic “skeleton” for functional biopolymer composites with sustained drug release. Journal of Materials Chemistry B, 1(23), 2894. https://doi.org/10.1039/c3tb20059k
