Вплив легування алюмінієм на структуру, морфологію та оптичні властивості наночастинок TiO2

Автор(и)

  • І. Фесич Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка, Донецький фiзико-технiчний iнститут iм. О.О. Галкiна НАН України
  • Т. Буско Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка
  • Т. Войтенко Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка, Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge
  • В. Левчик Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка
  • О. Макаренко Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка
  • І. Мойсеєнко Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка
  • А. Попова Харкiвський нацiональний унiверситет iменi В.Н. Каразiна, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
  • Ю. Хижний Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка, Донецький фiзико-технiчний iнститут iм. О.О. Галкiна НАН України
  • О. Чукова Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.10.824

Ключові слова:

дiоксид титану (TiO2), наночастинки, допування Al3+, кристалiчна структура, оптичнi властивостi

Анотація

Недоповані та гетеровалентно модифіковані йонами алюмінію наночастинки діоксиду титану (TiO2) отримано методом золь-гель синтезу. Досліджено вплив параметрів синтезу, температури відпалу (500-900 °C) і концентрації допувальних елементів Al3+ на фазовий склад, кристалографічні параметри, розмір кристалітів, дефектну структуру й оптичні властивості TiO2. Рентгенофазний аналіз показав фазове перетворення анатазу в рутил, зумовлене підвищенням температури в недопованому TiO2, тоді як введення алюмінію стабілізувало фазу анатазу за помірних температур і призупиняло утворення рутилу. За вищих температур і високих концентрацій домішки спостерігалася межа розчинності Al3+ у кристалічній ґратці TiO2, що зумовлювало утворення вторинної фази α-Al2O3. Аналіз розміру кристалітів показав, що підвищення температури відпалу сприяє росту зерен і зменшенню густини дефектів кристалічної ґратки, тоді як допування Al3+ сповільнює ріст кристалітів в анатазі та підвищує концентрацію дефектів. Натомість для фази рутилу TiO2 за високих температур введення алюмінію сприяє зростанню кристалітів і впорядкуванню кристалічної ґратки. Дослідження спектрів фотолюмінесценції показало слабке власне світіння TiO2, зумовлене дефектними станами, зі смугами світіння, пов'язаними з поверхневими станами, кисневими вакансіями та центрами Ti3+. У зразках з високим вмістом Al3+ виявлено додаткові смуги світіння в червоному та ближньому ІЧ-діапазонах, пов'язані із домішками Cr3+, випадково внесеними разом із прекурсорами алюмінію. Отримані результати показують, що умови синтезу й гетеровалентне заміщення є ефективними інструментами керування структурними, морфологічними й оптичними властивостями наночастинок TiO2. Результати свідчать про важливу роль хімії дефектів, фазового складу та впливу домішок на модифікацію матеріалів на основі TiO2 для застосування як УФ-блокаторів, у косметиці та фотоніці.

Посилання

1. S. Ghosh, A.P. Das. Modified titanium oxide (TiO2) nanocomposites and its array of applications: a review. Toxicol. Environ. Chem. 97, 491 (2015).

https://doi.org/10.1080/02772248.2015.1052204

2. EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food. Re-evaluation of titanium dioxide (E 171) as a food additive. EFSA Journal 14, e04545 (2016).

https://doi.org/10.2903/j.efsa.2016.4545

3. Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives. Compendium of Food Additive Specifications, FAO JECFA Monographs (2013).

4. A. Weir, P. Westerhoff, L. Fabricius, K. Hristovski, N. Von Goetz. Titanium dioxide nanoparticles in food and personal care products. Environ. Sci. Technol. 46, 2242 (2012).

https://doi.org/10.1021/es204168d

5. S. Tanemura, L. Miao, W. Wunderlich, M. Tanemura, Y. Mori, S. Toh, K. Kaneko. Fabrication and characterization of anatase/rutile TiO2 thin films by magnetron sputtering. Sci. Technol. Adv. Mater. 6, 11 (2005).

https://doi.org/10.1016/j.stam.2004.06.003

6. T.A.N. Ngoc, T.Q.T. Ly, V.Q.G. Vo, N.B. Nguyen, Q.T. Nguyen, H.V. Doan, T.K. Le. Sol-gel synthesis of Al-doped TiO2 nanoparticles as UV filters with diminished photocatalytic activity. J. Sol-Gel Sci. Technol. 108, 900 (2023).

https://doi.org/10.1007/s10971-023-06191-x

7. M. Lal, P. Sharma, C. Ram. Calcination temperature effect on titanium oxide (TiO2) nanoparticles synthesis. Optik 241, 166934 (2021).

https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166934

8. S. Mahshid, M. Askari, M.S. Ghamsari. Synthesis of TiO2 nanoparticles by hydrolysis and peptization of titanium isopropoxide solution. J. Mater. Process. Technol. 189, 296 (2007).

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.01.040

9. D. Jiang. A review on metal ions modified TiO2 for photocatalytic applications. Catalysts 11, 1039 (2021).

https://doi.org/10.3390/catal11091039

10. D. Zhang, J. Chen, Q. Xiang, Y. Li, M. Liu, Y. Liao. Transition-metal-ion (Fe, Co, Cr, Mn, etc.) doping of TiO2 nanotubes: A general approach. Inorg. Chem. 58 (19), 12511 (2019).

https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b01889

11. R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides. Science 293, 269 (2001).

https://doi.org/10.1126/science.1061051

12. H. Kozak et al. Al-doped TiO2 pigments: influence of doping on photocatalytic degradation. J. Photochem. Photobiol. A 139, 243 (2001).

https://doi.org/10.1016/S1010-6030(00)00429-9

13. N. Areerachakul, S. Sakulkhaemaruethai, M.A.H. Johir, J. Kandasamy, S. Vigneswaran. Photocatalytic degradation of organic pollutants from wastewater using aluminium-doped titanium dioxide. J. Water Process Eng. 27, 177 (2019).

https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2018.12.006

14. S. Mahshid, M. Askari, M.S. Ghamsari. Synthesis of TiO2 nanoparticles by hydrolysis and peptization of titanium isopropoxide solution. J. Mater. Process. Technol. 189, 296 (2007).

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.01.040

15. D. Bahnemann, A. Henglein, L. Spanhel. Colloidal TiO2: preparation by hydrolysis of titanium alkoxides in acidic media. J. Colloid Interface Sci. 100, 145 (1984).

16. H.S. Shin, H.S. Jung, J.-K. Lee. Hydrolysis of titanium tetraisopropoxide in acidic aqueous solutions and formation of TiO2 nanoparticles. Chem. Lett. 33, 1382 (2004).

https://doi.org/10.1246/cl.2004.1382

17. Y. Smortsova, O. Chukova, M. Kirm, V. Nagirnyi, V. Pankratovs, A. Kataev, A. Kotlov. The P66 time-resolved VUV spectroscopy beamline at PETRA III storage ring of DESY. J. Synchrotron Radiat. 32, 1539 (2025).

https://doi.org/10.1107/S1600577525007568

18. L. Kernazhitsky et al. Room temperature photoluminescence of anatase and rutile TiO2 powders. J. Lumin. 146, 199 (2014).

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2013.09.068

19. L. Chetibi et al. Photoluminescence properties of TiO2 nanofibers. J. Nanopart. Res. 19, 129 (2017).

https://doi.org/10.1007/s11051-017-3822-x

20. A. Nemashkalo et al. Electronic band structure studies of anatase TiO2 thin films modified with Ag, Au, or ZrO2 nanophases. Phys. Status Solidi B 253, 1754 (2016).

https://doi.org/10.1002/pssb.201600042

21. W.F. Zhang, M.S. Zhang, Q.Z. Yin. Photoluminescence in anatase TiO2 nanocrystals. Appl. Phys. B 70, 261 (2000).

https://doi.org/10.1007/s003400050043

22. S. Nedilko et al. Luminescent monitoring of metal dititanium triphosphates. J. Nucl. Mater. 385, 479 (2009).

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.12.034

23. R.S. Boyko et al. Origin of red luminescence of sodium titanium phosphate crystals. Phys. Status Solidi C 2, 712 (2005).

https://doi.org/10.1002/pssc.200460272

24. G. Jin et al. Structure and photoluminescence of TiO2 films grown by atomic layer deposition. Nanoscale Res. Lett. 10, 95 (2015).

https://doi.org/10.1186/s11671-015-0790-x

25. G.K.Q. Ganharul, A. Tofanello, A. Bonadio et al. Presence of Ti3+ ions in TiO2 crystal structures synthesized at low temperature. J. Mater. Res. 36, 3353 (2021).

https://doi.org/10.1557/s43578-021-00342-y

26. O. Chukova, S.A. Nedilko, S.G. Nedilko, T. Voitenko, A. Slepets, M. Androulidaki, A. Papadopoulos, E. Stratakis, W. Paszkowicz. Strong Eu3+ luminescence in La1−x−yErx/2Eux/2CayVO4 nanocrystals: The result of co-doping optimization. J. Lumin. 242, 118587 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118587

27. O. Chukova, S.A. Nedilko, S.G. Nedilko, T. Voitenko et al. Structure, morphology, and spectroscopy studies of La1−xRExVO4 nanoparticles. Springer Proc. Phys. 221, 211 (2019).

https://doi.org/10.1007/978-3-030-17759-1_15

28. S.G. Nedilko, O. Chukova, A. Dorofieieva et al. Evolution of phase composition and luminescent characteristics of nanocrystalline phosphors. Opt. Mater.: X 25, 100390 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.omx.2024.100390

29. R. Mogilevsky, S. Nedilko, L. Sharafutdinova et al. Luminescence of sapphire single crystals. Opt. Mater. 31, 1880 (2009).

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2008.11.023

30. S. Adachi. Spectroscopy of Cr3+ activator: Tanabe-Sugano diagram and Racah parameter analysis. J. Lumin. 232, 117844 (2021).

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117844

Завантаження

Опубліковано

2026-10-02

Номер

Том 71 № 10 (2026)

Розділ

Структура речовини

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Вплив легування алюмінієм на структуру, морфологію та оптичні властивості наночастинок TiO2. (2026). Український фізичний журнал, 71(10), 824. https://doi.org/10.15407/ujpe71.10.824