Multivalent Cu-Doped ZnO Nanoparticles with Full Solar Spectrum Absorbance and Enhanced Photoactivity

Full solar spectrum absorbers are widely pursued for applications related to photocatalysis and photovoltaics. Here we report multivalent Cu-doped ZnO nanoparticles which exhibit full solar spectrum absorbance and high photoactivity. Metathesis-based, green-chemical approaches with synthesis yield of similar to 100% are used. Cu incorporation in ZnO results in an increase of average solar spectrum absorbance from a mere 0.4% to 34%. On the other hand, (Zn, Cu)0 composites result in materials with up to 64% average solar spectrum absorbance. Doped systems operate well under both visible and UV illumination. The nanomaterials prepared are characterized by using X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Photocatalysts explored have particle sizes >= 50 nm. This is deliberately done in order to avoid the nanotoxic size regime of ZnO. Despite the large particle size and low specific surface area (<20 m(2).g(-1)), the best catalyst reported here compare favorably with recent reports on ZnO based systems. Using X-photoelectron spectroscopy and synthesis property correlations, we infer that the presence of multivalent Cu (most likely in the form of Cu1+delta) on ZnO surface is responsible for the observed photoactivity enhancement.

Enhanced photocatalytic efficiency of AuPd nanoalloy decorated ZnO-reduced graphene oxide nanocomposites

Inhibition of electron-hole pair recombination is the most desirable solution for stimulating photocatalytic activity in semiconductor nanostructures. To implement this, herein we study the photocatalytic efficiency of elemental Au, Pd and bimetallic AuPd nanoalloy decorated pristine and reduced graphene oxide (RGO) hybridized ZnO nanorods for degrading rhodamine 6G (R6G) dye. Fabrication of Au, Pd and AuPd nanoalloy on pristine and RGO modified ZnO nanorods is simple and more importantly surfactant or polymer free. AuPd nanoalloyed ZnO-RGO nanocomposites exhibit higher photocatalytic activity for degrading dye than both Au and Pd hybridized ones, indicating the promising potential of bimetallic nanoalloys over elemental components. A non-monotonic dependence on the composite composition was found by analyzing photodegradation efficiency of a series of ZnO-RGO-AuPd hybrid nanostructures with different weight percentages of RGO. The hybrid nanostructure ZnO-RGO (5 wt%)-AuPd (1 wt%) exhibits highest photodegradation efficiency (similar to 100% degradation in 20 min) with an improvement in rate constant (k) by a factor of 10 compared to that of the ZnO-RGO nanocomposite. The enhancement of the photocatalytic activity is attributed to the better separation of photogenerated charge carriers in photocatalysts thereby suggesting possible usefulness in a broad range of applications, such as sensing, photocatalysis and solar energy conversion.

Excitation- and power-dependent photoluminescence from oxidized Ge

Wafer/microcrystallites of oxidized Ge with holes/nanoholes synthesized by thermal oxidation strategy from Ge wafer/microcrystallites can convert one wavelength to another. Both oxidized Ge wafer and microcrystallites shows excitation- and power-dependent luminescence. Red-shift is observed as the excitation wavelength is increased, while blue-shift is observed as power density is increased. Over all, blue-green-yellow-orange luminescence is observed depending on the excitation wavelength and the morphology of oxidized Ge. The various defects level associated with germanium-oxygen vacancies in GeO2 and Ge/GeO2 interface are responsible for the excitation-dependent luminescence. Being a light-conversion material, oxidized Ge is expected to find potential applications in solid-state lighting, photovoltaic devices and photocatalysis. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

High photoconductive combustion synthesized TiO2 derived nanobelts for photocatalytic water purification under solar irradiation

Drinking water scarcity is a major issue that needs to be addressed seriously. Water needs to be purified from organic pollutants and bacterial contamination. In this study, sunlight driven photocatalysis for the degradation of dyes and bacterial inactivation has been conducted over TiO2 nanoparticles (CST) and TiO2 nanobelts (CSTNB). TiO2 nanoparticles were synthesized by a solution combustion process using ascorbic acid as a fuel. Acid etched TiO2 nanobelts (CSTNB) were synthesized using combustion synthesized TiO2 as a novel precursor. The mechanism of formation of TiO2 nanobelts was hypothesized. The antibacterial activity of combustion synthesized TiO2 and acid etched TiO2 nanobelts were evaluated against Escherichia coli and compared against commercial TiO2. Various characterization studies like X-ray diffraction analysis, BET surface area analysis, diffused reflectance measurements were performed. Microscopic structures and high resolution images were analyzed using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy. The extent of photo-stability and reusability of the catalyst was evaluated by conducting repeated cycles of photo degradation experiments and was compared to the commercial grade TiO2. The reactive radical species responsible for high photocatalytic and antibacterial activity has been determined by performing multiple scavenger reactions. The excellent charge transfer mechanism, high generation of hydroxyl and hole radicals resulted in enhanced photocatalytic activity of the acid etched TiO2 nanobelts compared to commercial TiO2 and nanobelts made from commercial TiO2.

Tungsten-based nanomaterials (WO3 & Bi2WO6): Modifications related to charge carrier transfer mechanisms and photocatalytic applications

Heterogeneous photocatalysis is an ideal green energy technology for the purification of wastewater. Although titania dominates as the reference photocatalyst, its wide band gap is a bottleneck for extended utility. Thus, search for non-TiO2 based nanomaterials has become an active area of research in recent years. In this regard, visible light absorbing polycrystalline WO3 (2.4-2.8 eV) and Bi2WO6 (2.8 eV) with versatile structure-electronic properties has gained considerable interest to promote the photocatalytic reactions. These materials are also explored in selective functional group transformation in organic reactions, because of low reduction and oxidation potential of WO3 CB and Bi2WO6 VB, respectively. In this focused review, various strategies such as foreign ion doping, noble metal deposition and heterostructuring with other semiconductors designed for efficient photocatalysis is discussed. These modifications not only extend the optical response to longer wavelengths, but also prolong the life-time of the charge carriers and strengthen the photocatalyst stability. The changes in the surface-bulk properties and the charge carrier transfer dynamics associated with each modification correlating to the high activity are emphasized. The presence of oxidizing agents, surface modification with Cu2+ ions and synthesis of exposed facets to promote the degradation rate is highlighted. In depth study on these nanomaterials is likely to sustain interest in wastewater remediation and envisaged to signify in various green energy applications. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Novel synergistic photocatalytic degradation of antibiotics and bacteria using V-N doped TiO2 under visible light: the state of nitrogen in V-doped TiO2

We report the synthesis of vanadium and nitrogen co-doped TiO2 for photocatalysis mainly emphasizing the state of nitrogen doping into TiO2 in the presence of vanadium ions. Considering the increase in antibiotic resistance developed by microbes due to the excess of pharmaceutical waste in the ecosystem, the photocatalytic activity was measured by degrading an antibiotic, chloramphenicol. A novel experiment was conducted by degrading the antibiotic and bacteria in each other's vicinity to focus on their synergistic photo-degradation by V-N co-doped TiO2. The catalysts were characterized using XRD, DRS, PL, TEM, BET and XPS analysis. Both interstitial and substitutional nitrogen doping were achieved with V-TiO2, showing high efficiency under visible light for antibiotic and bacterial degradation. In addition, the effect of doping concentration of nitrogen and vanadium in TiO2 and catalyst loading was studied thoroughly. Reusability experiments show that the prepared V-N co-doped TiO2 was stable for many cycles.

Descoloração e Mineralização de Corantes Reativos por Processo Fotocatalítico Utilizando ZnO e Radiação UV

As indústrias consomem volumes elevados de água e outras substâncias químicas na síntese dos seus produtos e geram grande quantidade de rejeitos. Entre os mais importantes poluentes encontrados nos efluentes dessas indústrias estão os corantes sintéticos que representam um problema, pois não são facilmente destruídos por tratamentos convencionais. A fotocatálise heterogênea tem sido considerada como uma alternativa efetiva no tratamento de efluentes contendo esses corantes. Neste trabalho, estudou-se a cinética de descoloração e o grau de mineralização dos corantes sintéticos reativos Yellow 145, Black 5, Red 4 e Blue 21 através da fotocatálise utilizando ZnO puro e impregnado com íons Fe2+ e Co2+. Testes preliminares foram realizados para otimizar a concentração dos corantes e a massa mínima de catalisador a ser utilizado nos experimentos fotocatalíticos. Além da fotocatálise, experimentos individuais de fotólise e adsorção também foram realizados, porém se mostraram poucos eficientes. Através da espectrofotometria UV-Vis, verificou-se o total descoramento individual dos corantes em aproximadamente 30 minutos de irradiação com ZnO. O grau de mineralização de cada corante foi determinado através de análise de carbono orgânico total (COT), atingindo-se cerca de 70 a 80% de mineralização após 240 minutos de tratamento fotocatalítico. Foram comparadas, ainda, as eficiências de cada fotocatalisador ZnO, Fe/ZnO e Co/ZnO na mineralização de uma solução contendo a mistura dos quatro corantes já mencionados após 240 minutos de reação. A eficiência na mineralização da mistura dos corantes seguiu a seguinte ordem: Co/ZnO (32%), ZnO (78%) e Fe/ZnO (87%). A reação de degradação fotocatalítica do corante Black 5 seguiu uma cinética de primeira ordem, enquanto que os corantes Yellow 145, Red 4 e Blue 21 seguiram uma cinética de ordem zero.

Estudo teórico da redução fotocatalítica do gás carbônico a metanol utilizando dióxido de titânio

O aumento da concentração de gases de efeito estufa (GEE) de fontes antropogênicas tem sido visto como uma das principais contribuições para o aquecimento global, ameaçando a vida no planeta. O dióxido de carbono (CO2) é um dos principais GEE e suas fontes geradoras estão relacionadas a processos essenciais à sociedade, como a produção de energia, produtos diversos e transporte. A conversão do CO2 parece ser uma alternativa promissora para reduzir a emissão deste gás na atmosfera. De particular interesse para este estudo, a fotorredução do CO2 a metanol pode contribuir para mitigar o problema dos GEE, gerando um importante insumo da indústria química. Assim, este estudo tem por objetivo utilizar cálculos quanto-mecânicos, como a Teoria do Funcional Densidade, para investigar um caminho para a reação de redução do CO2. A reação de redução do CO2 à ácido fórmico, formaldeído e metanol foi estudada sem a interação com o catalisador e na presença de dióxido de titânio como catalisador. Foi realizada uma comparação de cálculos em diferentes níveis teóricos e diferentes bases, com dados experimentais. Para os cálculos envolvendo o TiO2, foi utilizado o nível B3LYP/6-31G(d,p). Frequências vibracionais também foram calculadas para cada etapa, permitindo a identificação de possíveis estados de transição e estimativa de barreiras de reação (energia potencial). Cálculos de coordenada intrínseca de reação (IRC) foram empregados para confirmar que os estados de transição encontrados, estão relacionados a cada etapa estudada. A comparação da redução do dióxido de carbono a ácido fórmico, com e sem catalisador, mostrou que a presença do dióxido de titânio reduziu em mais de 25,0% a barreira reacional desta etapa

Síntese e caracterização de TiO2 puro e modificado para aplicações ambientais

Fotocatalisadores baseados em nanopartículas de dióxido de titânio modificados fornecem soluções em potencial para a mineralização de poluentes orgânicos em meio aquoso. Agentes modificadores têm sido amplamente investigados com o objetivo de promover a fotoativação pela luz visível. Foram estudadas a nível fundamental até aqui, as modificações estruturais, texturais e óticas causadas pela introdução de silício e nitrogênio na rede da titânia. Titânias puras (TiO2) e modificadas nanoestruturadas, particularmente titânias modificadas com silício (TiO2-SiO2), com razões atômicas Si/Ti de 0,1, 0,2 e 0,3 foram sintetizadas pelo método sol-gel a partir da hidrólise ácida de isopropóxido de titânio(IV) e tetraetoxisilano. As metodolo-gias sintéticas desenvolvidas tentaram aderir aos princípios da Química Verde, dispensando o uso de atmosfera inerte e temperatura e pressão elevadas, o que foi alcançado utilizando-se, principalmente, a agitação ultrassônica. Titânias modificadas com silício e dopadas com ni-trogênio (TiO2-SiO2-N) foram obtidas a partir do pré-tratamento de TiO2-SiO2 a 500 C ao ar e então submetidas ao fluxo de amônia (NH3) a 600 C por 1-3 h e, após resfriamento, foram recozidas a 400 C ao ar. Amostras distintas foram caracterizadas, na forma de pó seco e após calcinação entre 400600 C, por difração de raios X, adsorção de nitrogênio, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. As titânias pu-ras, obtidas principalmente variando-se a razão de hidrólise, foram cristalizadas na forma de anatásio como fase predominante até 600 C, além de traços de brookita presente até 500 C. O rutilo foi identificado a partir de 600 C como fase minoritária, embora apresentando tama-nhos de cristal significativamente maiores que os estimados para o cristal de anatásio. As titâ-nias modificadas com até 20% de silício apresentaram notável estabilidade térmica, evidenci-ada pela presença exclusiva de anatásio até 900 C. Foi também observado o aparecimento de macroporos com diâmetro médio em torno de 55 nm após calcinação a 400 C, diferentemente do que se observou nas amostras em geral. A introdução de baixo teor de silício assegurou às titânias calcinadas valores elevados de área específica, atribuído ao efeito de contenção acentuada na taxa de crescimento do cristal. As titânias modificadas com silício e as titânias puras obtidas com taxa de hidrólise 25:1 para a razão H2O : Ti apresentaram mesoporos com diâmetros médios de mesma dimensão do cristal. As titânias modificadas com silício e dopa-das com nitrogênio apresentaram absorção na região visível entre 400-480 nm, com discreta redução da energia de band gap para as transições eletrônicas consideradas. Titânias calcina-das a 300−400 C apresentaram desempenho fotocatalítico semelhante ao TiO2 P25 da De-gussa sob irradiação UV, na degradação do azo corante Reactive Yellow 145 em soluções a-quosas em pH 5 a 20 1C

Degradação de corantes têxteis ácidos e reativos por fotocatálise heterogênea, usando TiO2 como fotocatalisador

A indústria têxtil tem como característica a geração de grandes volumes de resíduos, principalmente corantes oriundos do tingimento de fios e tecidos. Os tratamentos convencionais de efluentes têxteis são ineficazes na degradação da maioria dos corantes. A fotocatálise heterogênea vem surgindo como alternativa promissora no tratamento desses poluentes. Neste trabalho, estudou-se a degradação fotocatalítica de duas soluções, simuladas em laboratório, compostas pelos corantes ácidos Blue 74, Red 51 e Yellow 3 (efluente I) e pelos reativos Black 5, Red 239 e Yellow 17 (efluente II), além de outros produtos químicos. Testes preliminares foram realizados para otimizar o pH e a massa de catalisador (TiO2) utilizados. Além da fotocatálise, experimentos de fotólise e adsorção também foram realizados. Através de espectrofotometria UV-VIS, verificou-se um descoramento por fotocatálise de 96% em 240 min e 97% em 30 min dos efluentes I e II, respectivamente. A mineralização do efluente I foi baixa (37%) e a do efluente II desprezível, nos tempos utilizados. No banho com corantes ácidos, foram realizadas ainda análises de toxicidade com sementes de alface (Lactuca sativa). A CE50 inicial estimada foi igual a 19,28 %, sendo a toxicidade totalmente removida após 63 min de processo fotocatalítico. A fotólise não obteve a mesma eficiência da fotocatálise, mostrando a importância do catalisador na degradação. A adsorção não foi significativa para os efluentes estudados. As cinéticas de degradação fotocatalítica de todos os corantes seguiram um modelo de pseudo-primeira ordem

Sínteses e caracterizações de TiO2 puro, dopado e co-dopado pelo método sol-gel e suas atividades fotocatalíticas

Nanopartículas de dióxido de titânio vêm sendo extensamente empregadas como fotocatalisa-dores, já que são eficientes na degradação de diversos poluentes. Visando a obtenção de titâ-nias com diferentes propriedades, realizaram-se sínteses através do método sol-gel, a partir da hidrólise do tetraisopropóxido de titânio (IV) TIPP e seguindo-se os princípios da Química Verde, dispensando-se temperaturas e pressões elevadas. Foi estudada a influência de dife-rentes parâmetros, como: pH, solvente, razão molar álcool/TIPP e ordem de adição dos rea-gentes. Foram obtidas titânias na forma cristalina anatásio, nanométricas, com elevadas áreas superficiais específicas e predominantemente mesoporosas. Visando-se obter titânias com melhores propriedades óticas, isto é, capazes de sofrer a fotoativação pela luz visível, foram sintetizadas titânias dopadas e co-dopadas com os metais ferro e rutênio (Fe3+ e Ru3+) e o a-metal N (N3). A síntese desses materiais também foi realizada através do método sol-gel, sendo a dopagem realizada durante o processo de hidrólise. As amostras foram caracterizadas na forma de pó por difração de raios-X, adsorção-dessorção de nitrogênio, microscopia ele-trônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. A titânia pura a-presentou como única fase cristalina o anatásio, quando calcinada até 400 C, com a presença de traços de brookita. A partir de 600 C, observou-se o aparecimento da fase rutilo, que em 900C foi a única fase encontrada na titânia. A dopagem com Ru3+dificultou a transformação de fase anatásio para rutilo, ao contrário da dopagem com Fe3+. O processo de co-dopagem acelerou a formação de rutilo, que se apresentou como única fase nas amostras calcinadas a 600 C. As titânias dopadas apresentaram uma leve diminuição na energia de bandgap, sendo os dopantes capazes de deslocar a absorção para o vermelho. Foram realizados testes fotoca-talíticos visando à degradação do azocorante Reactive Yellow 145 com lâmpada de vapor de mercúrio de 125 W a fim de se comparar as atividades fotocatalíticas das titânias puras, dopa-das e co-dopadas, calcinadas a 300C. De todas as titânias sintetizadas, a titânia pura foi a que melhor degradou o corante, tendo um desempenho semelhante ao do TiO2 P25, da Evo-nik

Design of Narrow-Gap TiO2: A Passivated Codoping Approach for Enhanced Photoelectrochemical Activity

To improve the photoelectrochemical activity of TiO2 for hydrogen production through water splitting, the band edges of TiO2 should be tailored to match with visible light absorption and the hydrogen or oxygen production levels. By analyzing the band structure of TiO2 and the chemical potentials of the dopants, we propose that the band edges of TiO2 can be modified by passivated codopants such as (Mo+C) to shift the valence band edge up significantly, while leaving the conduction band edge almost unchanged, thus satisfying the stringent requirements. The design principle for the band-edge modification should be applicable to other wide-band-gap semiconductors.

Sterilization system for air purifier by combining ultraviolet light emitting diodes with TiO2

BACKGROUND: Ultraviolet light emitting diodes (UV LEDs) were used as a light source in TiO2 photocatalysis because of their many advantages, such as, long life, safety, low pollution, etc. In this experiment, a light source panel was successfully fabricated with UV LEDs, the light intensities of which were relatively uniform.

Enhanced photocatalytic activity of TiO2 nano-structured thin film with a silver hierarchical configuration

TiO2 sol-gels with various Ag/TiO2 molar ratios from 0 to 0.9% were used to fabricate silver-modified nano-structured TiO2 thin films using a layer-by-layer dip-coating (LLDC) technique. This technique allows obtaining TiO2 nano-structured thin films with a silver hierarchical configuration. The coating of pure TiO2 sol-gel and Ag-modified sol-gel was marked as T and A, respectively. According to the coating order and the nature of the TiO2 sol-gel, four types of the TiO2 thin films were constructed, and marked as AT (bottom layer was Ag modified, surface layer was pure TiO,), TA (bottom layer was pure TiO,, surface layer was Ag modified), TT (pure TiO, thin film) and AA (TiO, thin film was uniformly Ag modified). These thin films were characterized by means of linear sweep voltammetry (LSV), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electrochemical impedance spectroscopy and transient photocurrent (I-ph). LSV confirmed the existence of Ago state in the TiO, thin film. SEM and XRD experiments indicated that the sizes of the TiO,, nanoparticles of the resulting films were in the order of TT > AT > TA > AA, suggesting the gradient Ag distribution in the films. The SEM and XRD results also confirmed that Ag had an inhibition effect on the size growth of anatase nanoparticles. Photocatalytic activities of the resulting thin films were also evaluated in the photocatalytic degradation process of methyl orange. The preliminary results demonstrated the sequence of the photocatalytic activity of the resulting films was AT > TA > AA > TT. This suggested that the silver hierarchical configuration can be used to improve the photocatalytic activity of TiO2 thin film.