Способность диоксида титана играть роль медиатора химических реакций при облечении светом сделала это вещество популярным фотокатализатором для различных приложений, как например – стерилизующееся стекло и другие поверхности, а также фотолитическое расщепление воды с образованием водорода.
Несколько лет назад сообщалось, что использование фтороводородной кислоты для синтеза нанокристаллического TiO2 существенно увеличивает его каталитическую активность за счет очистки и обнажения наиболее активных граней нанокристалла. Однако результаты нового исследования позволяют предположить, что увеличение каталитической активности связано не столько с особой формой образующихся кристаллов, сколько с остаточным содержанием HF.
Как можно увидеть из изображений, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, применение HF в синтезе TiO2 (слева) изменяет морфологию кристалла и граней по сравнению с методом получения этого же материала без применения HF (справа), и может внести неожиданные изменения в каталитические свойства кристалла. (Рисунок из ACS Catalysis, 2013, DOI: 10.1021/cs400216a)
Грани кристалла могут быть идентичны химически, однако различие в структуре и электронных свойствах может приводить к различиям в значениях энергии поверхности и каталитической активности. Так, известно, что (001) грань TiO2 проявляет большую активность, чем другие грани TiO2. По этой причине для синтеза TiO2исследователи обычно используют фтороводородную кислоту – применение этой кислоты увеличивает выход фракций кристаллов TiO2, характеризующихся гранями (001).
Лихань Цзинь (Liqiang Jing) с соавторами подтвердил с помощью метода рентгеновской дифракции, что увеличение концентрации фтороводорода в процессе синтеза TiO2 увеличивает содержание кристаллов диоксида титана, с гранями (001). Испытания по фотодеградации органических загрязнителей, в которых в качестве моделей выступали ацетальдегид и фенол, показали, что действительно наиболее активными фотокатализаторами на основе диоксида титана являются структуры с большим числом открытых граней (001).
Однако, когда исследователи удалили адсорбированные на поверхности кристаллов диоксида титана фторид-ионы, несмотря на большое количество граней (001), каталитическая активность существенно понижалась. Исследователи объясняют это явление тем, что связанные с поверхностью диоксида титана молекулы фтороводорода существенно повышают адсорбцию молекул дикислорода 2, которые перехватывают электроны, высвобождающиеся в результате воздействия света и, в итоге, обеспечивают протекание окислительно-восстановительного процесса.
Кан Ли (Can Li), специалист по фотокатализаторам из Института Химической Физики Далянь (Китай) заявляет, что доводы, приводимые Цзинем, кажутся убедительными, а Байбао Хуань (Baibiao Huang), эксперт из Университета Шандонг (Китай) считает, что результаты исследования можно использовать для других оксидных полупроводниковых фотокатализаторов с высокой энергией поверхности.