Probing the optical, magnetic and photocatalytic properties of doped TIO2 nanocrystals and polymer based nanocomposites for various applications

Abstract

Испитиване су допиране и недопиране наночестице титан (IV) оксида (ТiО2 ), великог енергијског процепа, различитих облика (сферични, тубуларни, штапићасти (елипсоидни)), величина кристалних структура, као и хибридни материјали-нанокомпозити на бази проводног полимера (полианилин, ПАНИ) и наночестица TiO2 . Испитивања утицаја величине, облика, структуре и нивоа допираности наночестица ТiО2 на њихове оптичке, магнетне и фотокаталитичке особине, као и разумевање интеракције наночестица и полимерне матрице (ПАНИ) у циљу креирања нанокомпозита одговарајућих фотокаталитичких својстава представљају главне правце овог истраживања. Обзиром на структуру енергетског процепа наночестица TiO2 , допирање јонима ретких земаља отвара могућност за контролу њихових оптичких карактеристика. Нанокристали TiO2 допирани јонима Sm3+ показују наранџасто-црвену емисију, која је последица f-f прелаза јона Sm3+ (4 G5/2→6 HJ (J=5/2, 7/2 i 9/2)) и која потврђује постојање енергијског трансфера. Допирање наночестица TiO2 јонима Ni2+ отвара могућност за синтезу транспарентних наноструктурних филмова који показују феромагнeтно уређење на собној температури (HC ~ 150-200 Oe) и сатурациону магнетизацију у опсегу 10-3- 5x10-2 μB/Ni, у зависности од концентрације допанта. Следећи циљ ових истраживања био је повећање фотокаталитичке ефикасности/активности наночестица TiO2 површинском модификацијом проводним ПАНИ полимером у карбонизованој форми, уз дефинисање механизма процеса фотокаталитичке деградације модел молекула метиленско плавог (Methylene blue) и родамина Б (Rhodamine B). У поређењу са немодификованим наночестицама TiO2 , ПАНИ/TiO2 нанокомпозити, ексцитовани белом светлошћу, показали су значајно већу фотокаталитичку ефикасност. Процес карбонизације полианилина у ПАНИ/TiO2 нанокомпозитима је довео до даљег повећања њихове фотокаталитичке ефикасности. Фотокаталитичка активност нанокомпозита је условљена њиховом површинском структуром, високом мобилношћу носилаца наелектрисања и апсорпционим коефицијентом полианилина у видљивом делу спектра, као и молекулском структуром испитиваних боја.

– This research paper focuses on doped TiO2 nanocrystals of different shape, size and structures, in addition to nanocomposites consisting of TiO2 nanocrystals and conductive polymers (Polyaniline (PANI)). The primary objective of this research paper is to ensure understanding of the influence of size, shape, structure and doping level on optical and magnetic properties of TiO2 nanoparticles, as well as the interaction between nanoparticles and PANI due to the creation of desired photocatalytic properties of nanocomposites. The doping of TiO2 nanocrystals with rare earth ions opens up the possibility of controlling their optical properties. The Sm3+ doped TiO2 faceted nanocrystals exhibited red photoluminescence, associated with 4 G5/2-6 HJ (J=5/2, 7/2 and 9/2) f–f transitions of Sm3+ in the 4f5 configuration, after band-to-band excitation, confirming the accomplishment of energy transfers. The Ni2+ doped TiO2 nanocrystals enabled the synthesis of optically transparent nanostructured films that showed room-temperature ferromagnetism with almost closed loop (HC ~ 150-200 Oe) and saturation magnetization in the range of 10-3-5x10-2 μB/Ni depending on dopant concentration. Ni2+ ions that substitute core Ti atoms were found to participate in the light excitation processes, too. The improvement of photocatalytic efficiency of TiO2 nanocrystals by surface modification with carbonized form of PANI was tested in degradation processes of Rhodamine B and Methylene blue. The carbonized PANI/TiO2 nanocomposites showed significantly higher photocatalytic efficacy compared to the bare TiO2 and the non-carbonized PANI/TiO2 nanocomposites. Their photocatalytic activity is influenced by their surface and crystalline structures, absorption coefficient in the visible part of the spectrum, high mobility of charge carriers and finally by the molecular structures of the organic dyes used.