Visible Light Photocatalytic Activities of Iron and Nickel Co-doped Titania Thin Films

Abstract

Iron and nickel doped TiO2 thin films were prepared on glass slides by using sol-gel and dip coating techniques. X-Ray Diffraction (XRD) analysis showed that there may be a 164 solid state solubility limit of 2% on atomic basis and Fe/Ni oxide phases may be formed on the TiO2 grain boundaries beyond this doping level. Diffuse Reflectance Spectroscopy (UVVIS DRS) analysis showed that light absorption range of TiO2 was extended to visible light region by Fe and Ni doping. Visible light photocatalytic activities of the prepared films were determined by methylene blue degradation experiments. The highest activities were obtained with 5% Fe and 1% Ni monodoped TiO2 films as 22% and 28%, respectively. TiO2 films codoped with 1-5% Fe-Ni were prepared in the light of these findings and the highest activity (34%) was achieved with 2% Fe-2% Ni co-doped TiO2 film. It was concluded that an optimum nanophase structure and optical properties were achieved at this co-doping level.

Keywords

• Titania,iron,nickel,co-doping,visible light,photocatalytic degradation

Demir ve Nikel Birlikte Katkılı Titanyum dioksit İnce Filmlerin Görünür Işık Fotokatalitik Aktiviteleri

Abstract

Cam lamlar üzerinde demir ve nikel katkılı titanyum dioksit (TiO2) ince filmleri sol-jel ve (dip coating) daldırmalı kaplama teknikleri kullanılarak hazırlanmıştır. X-ışını kırınımı (XRay Diffraction, XRD) analizleri Fe ve Ni için atomik bazda %2 civarında bir katı hal çözünürlüğünün olabileceğini ve bu katkı düzeyinin üstünde TiO2 parçacık ara yüzeylerinde bu elementlerin oksit fazlarının çökebileceğini göstermiştir. TiO2’in ışığı soğurma aralığının Fe ve Ni katkısı ile görünür ışık bölgesine genişletilebileceği UV-VIS DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy) çalışmaları ile belirlenmiştir. Hazırlanan filmlerin görünür ışık fotokatalitik aktiviteleri metilen mavisinin bozundurma çalışmaları ile saptanmıştır. En yüksek fotokatalitik aktiviteler %5 Fe ve %1 Ni tekil katkısı için sırası ile %22 ve %28 olarak bulunmuştur. Bu bulgular ışığında %1-5 aralığında Fe/Ni birlikte katkılı filmler hazırlanmış ve bu filmler arasında %2 Fe-%2 Ni içeren filmle en yüksek fotokatalitik aktivite (%34) elde edilmiştir. Çalışmanın bulguları bu birlikte katkı seviyesi ile optimum nanofaz yapısına ve optik özeliklere sahip TiO2 filmin hazırlandığını göstermiştir.

Keywords

• Titanyum dioksit,demir,nikel,birlikte katkı,görünür ışık,fotokatalitik bozundurma

References

1. R. Su, R. Bechstein, J. Kibsgaard, R. T. Vang, F. Besenbacher, J Mater Chem, 2012, 22, 23755.
2. N. K. Dey, M. J. Kim, K. D. Kim, H. O. Seo, D. Kim, Y. D. Kim, D. C. Lim, K. H. Lee, J. Mol Catal A-Chem, 2011, 337, 33-38.
3. A. Zaleska, Recent Patents on Engineering, 2008, 2, 157-164.
4. S. C. Jung, S. J. Kim, N. Imaishi, Y. I. Cho, Appl Catal B-Environ, 2005, 55, 253-257.
5. A. Eshaghi, M. Pakshir, R. Mozaffarinia, Bull Mater Sci, 2010, 33, 365-369.
6. W. S. Kuo, P. H. Ho, Chemosphere, 2001, 45, 77-83.
7. R. S. Sonawane, S. G. Hegde, M. K. Dongare, Mater Chem Phys, 2003, 77, 744-750.
8. R. T. Thomas, V. Nair, N. Sandhyarani, Colloid Surface A, 2013, 422, 1-9.

9. S. Chin, E. Park, M. Kim, J. Jurng, Powder Technol., 2010, 201, 171-176.
10. N. Xu, Z. Shi, Y. Fan, J. Dong, J. Shi, M. Z. C. Hu, Ind Eng Chem Res, 1999, 38, 373-379. 177
11. D. H. Kim, H. S. Hong, S. J. Kim, J. S. Song, K. S. Lee, J Alloy Compd, 2004, 375, 259-264.
12. G. G. Nakhate, V. S. Nikam, K. G. Kanade, S. Arbuj, B. B. Kale, J. O. Baeg, Mater Chem Phys, 2010, 124, 976-981.
13. Y. Niu, M. Xing, J. Zhang, B. Tian, Catal Today, 2013, 201, 159-166.
14. S. H. Woo, W. W. Kim, S. J. Kim, C. K. Rhee, Mat Sci Eng A-Struct, 2007, 449-451, 1151-1154.
15. J. O. Carneiro, V. Teixeira, A. J. Martins, M. Mendes, M. Ribeiro, A. Vieira, Vacuum, 2009, 83, 1303-1306.
16. S. D. Sharma, D. Singh, K. K. Saini, C. Kant, V. Sharma, S. C. Jain, C. P. Sharma, Appl Catal A-Gen, 2006, 314, 40-46.
17. J. Tian, H. Gao, H. Deng, L. Sun, H. Kong, P. Yang, J. Chu, J Alloy Compd, 2013, 581, 318-323.
18. C. Xu, J. Huang, X. Tan, T. Yu, Z. Cui, L. Zhao, J Disper Sci Technol, 2010, 31, 1732-1739.
19. Y. Zhang, Q. Li, Solid State Sci., 2013, 16, 16-20.
20. T. Sun, J. Fan, E. Liu, L. Liu, Y. Wang, H. Dai, Y. Yang, W. Hou, X. Hu, Z. Jiang, Powder Technol., 2012, 228, 210-218.
21. N. H. Hong, W. Prellier, J. Sakai, A. Hassini, Appl Phys Lett, 2004, 84, 2850.
22. Z. Sun, Z. Hu, Y. Yan, S. Zheng, Appl Surf Sci, 2014, 314, 251-259.
23. R. López, R. Gómez, J Sol-Gel Sci Technol, 2012, 61, 1-7.
24. Y. Wang, H. Cheng, Y. Hao, J. Ma, W. Li, S. Cai, J Mater Sci, 1999, 34, 3721-3729.
25. Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Hasegawa, T. Fukumura, M. Kawasaki, P. Ahmet, K. Nakajima, T. Chikyow, H. Koinuma, Appl Surf Sci, 2002, 189, 344-348.
26. T. Kako, A. Nakajima, T. Watanabe, K. Hashimoto, Res Chem Intermediat, 2005, 31,
27. -378.