Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия:

О. С. Халипова, доцент кафедры неорганической химии, канд. техн. наук, эл. почта: chalipova@mail.ru
Д. С. Федосов, студент
С. А. Кузнецова, доцент кафедры неорганической химии, канд. хим. наук, эл. почта: katy20.05.2004@mail.ru

Исследована возможность получения пленок TiО₂ – CeO₂ (содержание СеО₂ от 2 до 15 % (мол.)) зольгель методом с использованием золей без стабилизаторов. Установлено, что золи на основе бутанола, тетрабутоксититана и нитрата церия(III) приобретают способность пленкообразования на 3 сут со дня приготовления за счет процессов гидролиза, электростатического взаимодействия гидролизованных солей с молекулами растворителя и поликонденсации. Добавка нитрата церия(III) оказывает влияние на вязкость золей и толщину получаемых пленок. Результаты термического, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа показали, что термическая деструкция золей при 600 ^oC во всем исследуемом диапазоне добавки СеО₂ вызывает образование оксидной системы TiО₂ – CeO₂, представляющей собой смесь двух фаз: кристаллической фазы диоксида титана со структурой анатаза (ОКР ≈ 7 нм) и рентгеноаморфной фазы диоксида церия. Полученные на стеклянных подложках пленки TiО₂ – CeO₂ имеют толщину 49–62 нм, показатель преломления 1,79–1,89, значение коэффициента пропускания в видимой области 80–95 %. Увеличение количества диоксида церия от 2 до 15 % (мол.) приводит к уменьшению значения ширины запрещенной зоны с 2,35 до 2,05 эВ. Исследуемые в настоящей работе пленки TiО₂ – CeO₂ отличаются большей пропускающей способностью в видимой области спектра и меньшим значением ширины запрещенной зоны по сравнению с известными пленками аналогичного состава, полученными из золей с токсичными поверхностно-активными веществами.

Исследование выполнено при поддержке Программы развития Томского государственного университета (Приоритет-2030).

1. Spasiano D., Marotta R., Malato S., Fernandez-Ibañez P., Di Somma I. Solar photocatalysis: Materials, reactors, some commercial, and pre-industrialized applications. A comprehensive approach // Applied Catalysis B: Environmental. 2015. Vol. 170-171. P. 90–123.
2. Chung L., Chen W.-F., Koshy P., Sorrell C. C. Effect of Ce-doping on the photocatalytic performance of TiO₂ thin films // Materials Chemistry and Physics. 2017. Vol. 197. Р. 236–239.
3. Hamdi D., Mansouri L., Srivastava V., Sillanpaa M., Bousselmi L. Enhancement of Eu and Ce doped TiO2 thin films photoactivity: Application on Amido Black photodegradation // Inorganic Chemistry Communications. 2021. Vol. 133. P. 108912.
4. Kayani Z. N., Riaz M. S., Naseem S. Magnetic and antibacterial studies of sol-gel dip coated Ce doped TiO2 thin films: Influence of Ce contents // Ceramics International. 2020. Vol. 46. P. 381–390.
5. Kidchob T., Malfatti L., Marongiu D., Enzo S., Innocenzi P. An alternative sol-gel route for the preparation of thin films in CeO₂ – TiO₂ binary system // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518, Iss. 6. P. 1653–1657.
6. Khan M. I., Suleman A., Hasan M. S., Ali S. S., Al-Muhimeed T. I. et al. Effect of Ce doping on the structural, optical, and photovoltaic properties of TiO2 based dye-sensitized solar cells // Materials Chemistry and Physics. 2021. Vol. 274. P. 125177.
7. Mohammadi M. R., Fray D. J. Nanostructured TiO₂ – CeO₂ mixed oxides by an aqueous sol-gel process: Effect of Ce:Ti molar ratio on physical and sensing properties // Sensors and Actuators B. 2010. Vol. 150, Iss. 2. P. 631–640.
8. Verma A., Samanta S. B., Mehra N. C., Bakhshi A. K., Agnihotry S. A. Sol-gel derived nanocrystalline CeO₂ – TiO₂ coatings for electrochromic windows // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2005. Vol. 86, Iss. 1. P. 85–103.
9. Wang H., Wang Z., Hong H., Yin Ya. Preparation of ceriumdoped TiO₂ film on 304 stainless steel and its bactericidal effect in the presence of sulfate-reducing bacteria (SRB) // Materials Chemistry and Physics. 2010. Vol. 124. P. 791–794.

10. Livage J., Henry M., Sanchez C. Sol-gel chemistry of transition metal oxides // Progress in Solid State Chemistry. 1987. Vol. 18, Iss. 4. P. 259–341.
11. Makishima A., Asami M., Wada K. Preparation of CeO₂ – TiO₂ coatings by the sol-gel process // Journal of Non-Crystalline Solids. 1988. Vol. 100. P. 321–324.
12. Brusatin G., Guglielmi M., Innocenzi P., Martucci A., Battaglin G. et al. Microstructural and optical properties of sol-gel silica-titania waveguides // Journal of Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 220. P. 202–209.
13. Леонов А. И. Высокотемпературная химия кислородных соединений церия. — Л. : Наука, 1969. — 201 c.
14. Hume-Rothery W., Smallman R. E., Haworth C. W. Structure of metals and alloys. — London : Metals & Metallyrgy Trust, 1969. — 407 p.
15. Chen W.-F., Koshy P., Huang Y., Adabifiroozjaei E., Yao Y. et al. Effects of precipitation, liquid formation, and intervalence charge transfer on the properties and photocatalytic performance of cobalt-or vanadium-doped TiO2 thin films // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. P. 19025–19056.
16. Inturi S. N. R., Boningari T., Suidan M., Smirniotis P. G. Visible-light-induced photodegradation of gas phase acetonitrile using aerosol-made transition metal (V, Cr, Fe, Co, Mn, Mo, Ni, Cu, Y, Ce, and Zr) doped TiO2 // Appl. Catal. B Environ. 2014. Vol. 144. P. 333–342.
17. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул / пер. с англ. — М. : Мир, 1971. — 318 с.
18. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. — М. : Мир, 1991. — 535 с.
19. Казицына Л. А., Куплетская Н. Б. Применение, ИК-, УФ- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. — М. : Высшая школа, 1971. — 264 с.
20. Vasconcelos D. C. L., Costa V. C., Nunes E. H. M., Sabioni A. C. S. et al. Infrared spectroscopy of titania sol-gel coatings on 316L stainless steel // Materials Sciences and Applications. 2011. Vol. 2. P. 1375–1382.
21. Kuznetsova S., Khalipova O., Chen Y.-W., Kozik V. The joint effect of doping with tin(IV) and heat treatment on the transparency and conductivity of films based on titanium dioxide as photoelectrodes of sensitized solar cells // Nanosystems: Physics. Chemistry. Mathematics. 2022. Vol. 13, Iss. 2. P. 192–203.
22. Zherebtsov D. A., Kuznetsov G. F., Kleshchev D. G., Syutkin S. A., Pervushin V. Y. et al. Сharacteristics of the hydrous titanium dioxide-anatase phase transformation during hydrothermal treatment in aqueous solutions // Russ. J. Inorg. Chem. 2010. Vol. 55. P. 1197–1201.
23. Verma A., Bakhshi A. K., Agnihotry S. A. Effect of different precursor sols on the properties of CeO₂ – TiO₂ films for electrochromic window applications // Electrochimica Acta. 2006. Vol. 51, Iss. 22. P. 4639–4648.
24. Zaitsev V. B., Konstantinova Е. А., Deygen D. M., Rumyantseva M. N., Podol’ko E. V. et al. Optoelectronic properties of nitrogen and carbon doped nanocrystalline titania // Moscow University Physics Bulletin. 2013. Vol. 68. P. 387–396.
25. Эрдей-Груз Т. Явления переноса в водных растворах / пер. с англ. / под ред. Н. С. Лидоренко, Ю. А. Мазитова. — М. : Мир, 1976. — 596 с.
26. Martin M. V., Alfano O. M., Satuf M. L. Cerium-doped TiO₂ thin films: Assessment of radiation absorption properties and photocatalytic reaction efficiencies in a microreactor // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2019. Vol. 7. P. 103478.