Особенности морфологии и свойств дисперсных порошков ZnO, полученных полимерно-солевым синтезом при использовании поливинилпирролидона

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе исследованы особенности морфологии и свойств дисперсных порошков ZnO, полученных полимерно-солевым синтезом при использовании поливинилпирролидона. Процессы термической эволюции материалов при синтезе порошков были исследованы методом дифференциально-термического и термогравиметрического анализа. Кристаллическая структура, морфология, люминесцентные и адсорбционные свойства синтезированных нанопорошков были изучены методами рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов, оптической и люминесцентной спектроскопии. Установлено, что добавки поливинилпирролидона уменьшают размер формирующихся кристаллов ZnO и оказывают существенное влияние на морфологию, люминесцентные и адсорбционные свойства материалов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. А. Гаврилова

Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)

Author for correspondence.
Email: amonrud@yandex.ru
Russian Federation, 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26

Д. А. Гаврилова

Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)

Email: amonrud@yandex.ru
Russian Federation, 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26

А. А. Шелеманов

Национальный государственный исследовательский университет ИТМО

Email: amonrud@yandex.ru
Russian Federation, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, лит. А

С. К. Евстропьев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет); Национальный государственный исследовательский университет ИТМО; АО «НПО ГОИ им. С. И. Вавилова»

Email: amonrud@yandex.ru
Russian Federation, 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26; 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, лит. А; 192171, Санкт-Петербург, ул. Бабушкина, 36, корп. 1

References

  1. Guo L., Yang S., Yang C., Yu P., Wang J., Ge W., Wong G. K.L. Highly monodisperse polymer-capped ZnO nanoparticles: preparation and optical properties // Applied Physics Letters. 2020. V. 76. № 20. P. 2901–2903.
  2. Chiu W.S., Khiew P.S., Cloke M., Isa D., Tan T.K., Radiman S., Abd-Shukor R., Abd. Hamid M.A., Huang N.M., Lim H.N., Chia C.H. Photocatalytic study of two-dimensional ZnO nanopellets in the decomposition of methylene blue // Chemical Engineering Journal. 2010. V. 158. P. 345–352.
  3. Singh A.K., Pal P., Gupta V., Yadav T.P., Gupta V., Singh S.P. Green synthesis, characterization and antimicrobial activity of zinc oxide quantum dots using Eclipta alba // Materials Chemistry and Physics. 2018. V. 203. P. 40–48.
  4. Евстропьев С.К., Сошников И.П., Хребтов А.И. Формирование покрытий на основе ZnO с использованием растворов, содержащих высокомолекулярный поливинилпирролидон // Письма в ЖТФ. 2016. T. 42. № 9. C. 49–55. [Evstropiev S.K., Soshnikov I.P., Khrebtov A.I. The formation of ZnO-based coatings from solutions containing high-molecular polyvinylpyrrolidone // Technical Physics Letters. 2016. V. 42. № 5. P. 468–470.]
  5. Evstropiev S.K., Gatchin Yu.A., Evstropyev K.S., Romanova E.B. Spectral properties of ZnO and ZnO-Al2O3 coatings prepared by polymer-salt method // Optical Engineering. 2016. V. 55. № 4. 047108.
  6. Evstropiev S.K., Dukelskii K.V., Karavaeva A.V., Vasilyev V.N., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Evstropyev K.S. Transparent bactericidal ZnO nanocoatings // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2017. V. 28. № 7. Р. 102.
  7. Konstantinou I.K., Albanis T.A. TiO2-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations: a review // Applied Catalysis B: Environmental. 2004. V. 49. № 1. P. 1–14.
  8. Gaya V.I., Abdullah A.H. Heterogeneous photocatalytic degradation of organic contaminants over titanium dioxide: a review of fundamentals, progress and problems // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2008. V. 9. № 1. P. 1–12.
  9. Булыга Д.В., Евстропьев С.К. Кинетика адсорбции и фотокаталитического разложения диазокрасителя нанокомпозитом ZnO-MgO // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. № 9. С. 1455–1463.
  10. Vimonses V., Chong M.N., Jin B. Evaluation of the physical properties and Photodegradation ability of titania nanocrystalline impregnated onto modified kaolin // Microporous and Mesoporous Materials. 2010. V. 132. № 1–2. P. 201–209.
  11. Morkoç J., Ӧzgür Ü. Zinc oxide: Fundamentals Materials and Device Technology. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009. 76 p.
  12. Ong C.B., Ng L.Y., Mohammad A.W. A review of ZnO nanoparticles as solar photocatalysts: synthesis, mechanisms and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 81. № 1. P. 536–551.
  13. Amosov A.P., Novikov V.A., Kachkin E.M., Kryukov N.A., Titov A.A., Sosnin I.M., Merson D.L. The solution combustion synthesis of ZnO powder for the Photodegradation of phenol // Ceramics. 2022. V. 5. № 4. P. 928–946.
  14. Николаева Н.С., Иванов В.В., Шубин А.А. Синтез высокодисперсных форм оксида цинка: химическое осаждение и термолиз // Журнал Сибирского федерального университета. 2010. Т. 2. С. 153–173.
  15. Bhattia S., Verma N. Photocatalytic activity of ZnO nanoparticles with optimization of defects // Materials Research Bulletin. 2017. V. 95. P. 468–476.
  16. Uribe-López M.C., Hidalgo-López M.C., López-González R., Frías-Márquez D.M., Núñez-Nagueira G., Hernández-Castillo D., Alvarez-Lemus M.A. Photocatalytic activity of ZnO nanoparticles and the role of the synthesis method on their physical and chemical properties // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2021. V. 404. 112866.
  17. Priyadarshini B., Behera S.S., Rath P.P., Sahoo T.R., Parhi P.K. Adsorption of xylenol orange dye on nano ZnO: kinetics, thermodynamics and isotherm study // AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1832. 050043.
  18. Sun Y., Chen L., Bao Y., Zhang Y., Wang J., Fu M., Wu J., Ye D. The applications of morphology controlled ZnO in catalysis // Catalysts. 2016. V. 6. № 12. Р. 188.
  19. Xu S., Wang Z.L. One-dimensional nanostructures: solution growth and functional properties // Nano Research. 2011. V. 4. P. 1013–1098.
  20. Gutul T., Rusu E., Condur N., Ursaki V., Goncearenco E., Vlazan P. Preparation of poly(N-vinylpyrrolidone)-stabilized ZnO colloid nanoparticles // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2014. V. 5. P. 402–406.
  21. Júnior E.A.A., Nobre F.X., da Silva Sousa G., Cavalcante L.S., de Morais Chaves Santos M.R., Souza F.L., de Matos J.M.E. Synthesis, growth mechanism, optical properties and catalytic activity of ZnO microcrystals obtained via hydrothermal processing // RSC Advances. 2017. V. 7. 24263.
  22. Evstropiev S.K., Nikonorov N.V. Role of the interaction between forming nanocrystals and glass surface on the structure and properties of ZnO-based films // Materials Today Chemistry. 2020. V. 17. 100291.
  23. Irani M., Mohammadi T., Mohebbi S. Photocatalytic degradation of Methylene Blue with ZnO nanoparticles; a joint experimental and theoretical study // Journal of the Mexican Chemical Society. 2016. V. 60. № 4. P. 218–225.
  24. Srinivasa Rao L., Venkatappa Rao T., Naheed Sd., Venkateswara Rao V. Structural and optical properties of zinc magnesium oxide nanoparticles synthesized by chemical co-precipitation // Materials Chemistry and Physics. 2018. V. 203. P. 133–140.
  25. Chen X., Wu Z., Liu D., Gao Z. Preparation of ZnO photocatalyst for the efficient and rapid photocatalytic degradation of azo dyes // Nanoscale Research Letters. 2017. V. 12. Р. 143.
  26. Hou Q., Meng F., Sun J. Electrical and optical properties of Al-doped ZnO and ZnAl2O4 films prepared by atomic layer deposition // Nanoscale Research Letters. 2013. V. 8. Р. 144.
  27. Maslennikov S.Yu., Evstropiev S.K., Gridchin V.O., Soshnikov I.P. Photoactive ZnO-Al2O3 transparent coatings and nanocomposites prepared by a simple polymer-salt synthesis // Semiconductors. 2019. V. 53. № 16. P. 38–40.
  28. Evstropiev S.K., Lesnykh L.V., Karavaeva A.V., Nikonorov N.V., Oreshkina K.V., Mironov L.Yu., Maslennikov S.Yu., Kolobkova E.V., Bagrov I.V. Intensification of photodecomposition of organics contaminations by nanostructured ZnO-SnO2 coatings prepared by polymer-salt method // Chemical Engineering and Processing — Process Intensification. 2019. V. 142. 107587.
  29. Balta A.K., Ertek Ӧ., Eker N., Okur İ. MgO and ZnO composite thin films using the spin coating method on microscope glasses // Materials Sciences and Applications. 2015. V. 6. P. 40–47.
  30. Ye J.D., Gu S.L., Qin F., Zhu S.M., Liu S.M., Zhou X., Liu W., Hu L.Q., Zhang R., Shi Y., Zheng Y.D. Correlation between green luminescence and morphology evolution of ZnO films // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2005. V. 81. P. 759–762.
  31. Rodnyi P.A., Chernenko K.A., Venevtsev I.D. Mechanisms of ZnO Luminescence in the Visible Spectral Region // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125. P. 372–378.
  32. Zeng X., Duan G., Li Y., Yang S., Xu X., Cai W. Blue luminescence of ZnO nanoparticles based on non-equilibrium processes: defect origins and emission controls // Advanced Functional Materials. 2010. V. 20. № 4. P. 561–572.
  33. Ye J.D., Gu S.L., Qin F., Zhu S.M., Liu S. M., Zhou X., Liu W., Hu L.Q., Zhang R., Shi Y., Zheng Y.D. Correlation between green luminescence and morphology evolution of ZnO films // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2005. V. 81. P. 759–762.
  34. Wang X., Ahmad M., Sun H. Three-dimensional ZnO hierarchical nanostructures: solution phase synthesis and applications // Materials. 2017. V. 10. 1304.
  35. Spanhel L., Anderson M.A. Semiconductor clusters in the sol-gel process: quantized aggregation, gelation, and crystal growth in concentrated ZnO colloids // Journal of the American Chemical Society. 1991. V. 113. P. 2826–2833.
  36. Vahdat Vasei H., Masoudpanah S.M. Structure, optical and photocatalytic properties of cuboid ZnO particles // Journal of Materials Research and Technology. 2021. V. 11. P. 112–120.
  37. Волкова Н.А., Евстропьев С.К., Никоноров Н.В., Евстропьев К.С. Особенности взаимодействия в водных растворах молекул поливинилпирролидона с ионами цинка и серебра по данным ИК-спектроскопии // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127. № 4. С. 687–690. [Volkova N.A., Evstropiev S.K., Nikonorov N.V., Evstropyev K.S. Features of interactions of polyvinylpyrrolidone molecules with zinc and silver ions in aqueous solutions according to IR spectroscopy data // Optics and Spectroscopy. 2019. V. 127. № 4. P. 738–741.]
  38. Evstropiev S.K., Soshnikov I.P., Kolobkova E.V., Evstropyev K.S., Nikonorov N.V., Khrebtov A.I., Dukelskii K.V., Kotlyar K.P., Oreshkina K.V., Nashekin A.V. Polymer-salt synthesis and characterization of MgO-ZnO ceramic coatings with the high transparency in UV spectral range // Optical Materials. 2018. V. 82. P. 81–87.
  39. Evstropiev S.K., Vasiliev V.N., Nikonorov N.V., Kolobkova E.V., Volkova N.A., Boltenkov I.A. Photoactive ZnO nanosuspension for intensification of organics contaminations decomposition // Chemical Engineering & Processing: Process Intensification. 2018. V. 134. P. 45–50.
  40. Khomutinnikova L.L., Evstropiev S.K., Danilovich D.P., Meshkovskii I.K., Bulyga D.V. Structural engineering of photocatalytic ZnO-SnO2-Fe2O3 composites // Journal of Composites Science. 2022. V. 6. P. 331.
  41. Maneva M., Petrov N. On the thermal decomposition of Zn(NO3)2·6H2O and its deuterated analogue // Journal of Thermal Analysis. 1989. V. 35. P. 2297–2303.
  42. Borodko Y., Lee H. S., Joo S.H., Zhang Y., Somorjai G. Spectroscopic study of the thermal degradation of PVP-capped Rh and Pt nanoparticles in H2 and O2 environments // The Journal of Physical Chemistry C. 2010. V. 114. № 2. P. 1117–1126.
  43. Шелеманов А.А., Нурыев Р.К., Евстропьев С.К., Никоноров Н.В., Киселев В.М. Влияние поливинилпирролидона на структуру и оптические свойства ZnO-MgO нанокомпозитов, полученных полимерно-солевым методом // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. № 9. С. 1176–1181. [Shelemanov A.A., Nuryev R.K., Evstropiev S.K., Kiselev V.M., Nikonorov N.V. The influence of polyvinylpyrrolidone on the structure and optical properties of ZnO-MgO nanocomposites synthesized by the polymer-salt method // Optics and Spectroscopy. 2021. V. 129. № 9. P. 1176–1181.]
  44. Jeong S.-H., Kim B.-S., Lee B.-T. Photoluminescence dependence of ZnO films grown on Si(100) by radio-frequency magnetron sputtering on the growth ambient // Applied Physics Letters. 2003. V. 82. № 16. Р. 2625.
  45. Das D., Mondal P. Photoluminescence phenomena prevailing in c-axis oriented intrinsic ZnO thin films prepared by RF magnetron sputtering // RSC Advances. 2014. V. 4. P. 35735–35743.
  46. Бураков В.С., Тарасенко Н.В., Невар Е.А., Неделько М.И. Морфология и оптические свойства наноструктур оксида цинка, синтезированных методами термического и электроразрядного распыления // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. № 2. С. 89–97.
  47. Lagergren S. Zur Theorie der Sogenannten Adsorption Gelöster Stoffe // Kungliga Sevenska Vetenskapasakademiens Handlingar. 1898. V. 24. № 4. P. 1–39.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Data from the DTA-TG analysis of the course of thermal evolution of materials in the synthesis of Zn1 (a) and Zn2 (b) powders conducted using PVP additives.

Download (139KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. X-ray images of powders obtained with (a) and without (b) PVP additives.

Download (130KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Electron microscopic images of Zn1, Zn2, Zn3 and Zn4 powders.

Download (210KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Photoluminescence spectra of Zn1, Zn2, Zn3 and Zn4 samples at a luminescence excitation wavelength of 356 nm.

Download (125KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The change in the relative concentration of the dye in solution during its adsorption on the surface of Zn1, Zn2, Zn3 powders and the dependences ln(qe–qt) = f(t), based on experimental data on the adsorption of the dye on the surface of Zn1, Zn2, Zn3 and Zn4 powders.

Download (119KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences