Visible photocatalysts based on nitrogen and carbon doped nanocrystalline titanium dioxide

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Photocatalysts functioning in the visible spectrum range based on nanocrystalline titanium dioxide doped with nitrogen and carbon in the form of microspheres were obtained. Their structural, optoelectronic and photocatalytic properties were studied. The electron paramagnetic resonance method was used to identify spin centers (defects) and determine their concentrations in all the samples under study. Nitrogen atoms with an unpaired electron and Ti3+/oxygen vacancy centers were found in the microspheres doped with nitrogen. Dangling carbon bonds were recorded in the microspheres with carbon impurities. Photocatalysts doped simultaneously with nitrogen and carbon are characterized by both nitrogen and carbon spin centers. It was found that the concentration of defects increases during illumination, which is explained by their recharging. A correlation was established between the concentration of spin centers and the rate of photocatalysis in the obtained structures. It was shown that samples doped with two impurities are characterized by a high photocatalysis rate and prolonged catalysis for more than five hours after the illumination is turned off, as well as stable photocatalytic properties for several years, which determines the novelty of the studies and high prospects for use in ecology and biomedicine.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. V. Kytina

Lomonosov Moscow State University

Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Russian Federation, Moscow, 119991

V. B. Zaitsev

Lomonosov Moscow State University; Sνenzhen MSU-BIT University

Author for correspondence.
Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Russian Federation, Moscow, 119991; China, Shenzhen, 518172

Е. А. Konstantinova

Lomonosov Moscow State University

Email: liza35@mail.ru

Физический факультет

Russian Federation, Moscow, 119991

V. А. Kulbachinskii

Lomonosov Moscow State University

Email: zaytsevvb@my.msu.ru

Физический факультет

Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Khan A.U., Tahir K., Shah M.Z.U. et al. // Nanomaterials. 2024. V. 14. № 13. P. 1136. https://doi.org/10.3390/nano14131136
  2. Hwang I., Schmuki P., Mazare A. // Physica Status Solidi A. 2024. V. 221. № 16. P. 2400335. https://doi.org/10.1002/pssa.202400335
  3. Dongmei He, Du L., Wang K. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 13. P. 1986. https://doi.org/10.1134/S0036023621130040
  4. Mokrushin A.S., Gorban Yu.M., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2099. https://doi.org/10.1134/S0036023622601520
  5. Zheleznov V.V., Tkachenko I.A., Ziatdinov A.M. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 1. P. 95. https://doi.org/10.1134/S0036023622602045
  6. Wang N., Ma W., Jin Y. // Mater. Res. Express. 2024. V. 11. № 7. P. 075506. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad5fe1
  7. Wang Q., Yuan Y., Li C. et al. // Renew Energy. 2024. V. 231. P. 120997. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120997
  8. Chang Y.-C., Lai P.-R., Yang J.H.C. et al. // J Alloys Compd. 2024. V. 1002. P. 175443. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175443
  9. Hu L., Huo K., Chen R. et al. // Anal. Chem. 2011. V. 83. № 21. P. 8138. https://doi.org/10.1021/ac201639m
  10. Jaafar H., Ahmad Z.A., Ain M.F. // Optik. 2017. V. 144. P. 91. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.06.097
  11. Wang X., Liu X., Liu L. et al. // Appl. Catal., B: Environment and Energy. 2024. V. 358. P. 124338. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124338
  12. Schneider J., Matsuoka M., Takeuchi M. et al. // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 19. P. 9919. https://doi.org/10.1021/cr5001892
  13. Rangel-Contreras V., Reyes-Vallejo O., Subramaniam V. // J. Mater. Sci. — Mater. Electron. 2024. V. 35. № 19. P. 1301. https://doi.org/10.1007/s10854-024-12986-7
  14. Wei Y., Huang Y., Fang Y. et al. // Mater. Res. Bull. 2019. V. 119. P. 110571. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2019.110571
  15. Liu Z., Zhang X., Nishimoto S. et al. // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. № 22. P. 8547. https://doi.org/10.1021/es8016842
  16. Haghighi P., Haghighat F. // Build. Environ. 2024. V. 249. P. 111108. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2023.111108
  17. Kerstner Baldin E., Marasca Antonini L., De León M.A. et al. // Bull. Mater. Sci. 2024. V. 47. № 3. P. 133. https://doi.org/10.1007/s12034-024-03238-9
  18. Motola M., Čaplovičová M., Krbal M. et al. // Electrochim. Acta. 2020. V. 331. P. 135374. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135374
  19. Low J., Yu J., Jaroniec M. et al. // Adv. Mater. 2017. V. 29. № 20. https://doi.org/10.1002/adma.201601694
  20. Konstantinova E.A., Minnekhanov A.A., Kytina E.V. et al. // JETP Lett. 2020. V. 112. № 8. P. 527. https://doi.org/10.1134/S0021364020200060
  21. Tang T., Yin Z., Chen J. et al. // Chem. Eng. J. 2021. V. 417. P. 128058. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128058
  22. Zubair M., Kim H., Razzaq A. et al. // J. CO2 Utilization. 2018. V. 26. P. 70. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.04.004
  23. Piedra-López J., Calzada L.A., Guerra-Blanco P. et al. // Catal. Today. 2024. V. 432. P. 114610. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2024.114610
  24. Shabalina A., Golubovskaya A., Fakhrutdinova E. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 22. P. 4101. https://doi.org/10.3390/nano12224101
  25. Stoll S., Schweiger A. // J. Magn. Reson. 2006. V. 178. № 1. P. 42. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2005.08.013
  26. Byung-Hyun K., Mina P., Gyubong K. et al. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 27. P. 15297. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b02239
  27. Kytina E.V., Savchuk T.P., Gavrilin I.M. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 3. P. 357. https://doi.org/10.1134/S003602362260229X
  28. Morimoto A., Miura T., Kumeda M. et al. // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. № 11. P. 7299. https://doi.org/10.1063/1.329879
  29. Livraghi S., Chierotti M.R., Giamello E. et al. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 44. P. 17244. https://doi.org/10.1021/jp803806s
  30. Li Y., Peng Y.-K., Hu L. et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 4421. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12385-1
  31. Konstantinova E.A., Minnekhanov A.A., Kokorin A.I. et al. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 18. P. 10248. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b01621

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Microphotographs of N-C-TiO2 microspheres. Scale bars are 100 nm (a), 1 μm (b).

Download (519KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffractogram of N-C-TiO2 samples.

Download (27KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Determination of the forbidden band width of doped N-C-TiO2 microspheres and TiO2 samples without impurities.

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Kinetics of photocatalysis for TiO2 (1), N-TiO2 (2), C-TiO2 (3), N-C-TiO2 (4), N-C-TiO2_old (5) microspheres under photoexcitation in the visible range of the spectrum. The arrows show the moments of illumination on (τ = 0) and illumination off (τ = 20 min). C0 is the dye concentration at time τ = 0, C is the dye concentration at time τ.

Download (27KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. EPR spectra of a series of microspheres under dark conditions and illumination: N-C-TiO2 (1 and 2), N-TiO2 (3 and 4), C-TiO2 (5 and 6), TiO2 (7).

Download (28KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Relaxation kinetics of the EPR signal amplitude relaxation from broken carbon bonds in N-C-TiO2. The inset shows the kinetics for carbon-doped TiO2.

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».