Photosensitising reactive oxygen species with titanium dioxide nanoparticles decorated with PbS quantum dots

Алексей Сергеевич Перепелица; Сергей Владимирович Асланов; Олег Владимирович Овчинников; Михаил Сергеевич Смирнов; Ирина Геннадьевна Гревцева; Анатолий Николаевич Латышев; Тамара Сергеевна Кондратенко

doi:10.17308/kcmf.2023.25/11103

Алексей Сергеевич Перепелица Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1264-0107
Сергей Владимирович Асланов Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3961-2480
Олег Владимирович Овчинников Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6032-9295
Михаил Сергеевич Смирнов Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8765-0986
Ирина Геннадьевна Гревцева Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1964-1233
Анатолий Николаевич Латышев Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7271-0795
Тамара Сергеевна Кондратенко Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-4936-0130

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11103

Ключевые слова: наночастицы, диоксид титана, квантовые точки, сульфид свинца, фотосенсибилизация, активные формы кислорода, фотокатализ

Аннотация

Разработка новых эффективных фотокатализаторов на основе наноструктурированных материалов, обладающих широким спектром фоточувствительности в видимой и ближней ИК области и высокой эффективностью генерации активных форм кислорода, является актуальной научной задачей. Целью данной работы являлось установление возможности фотосенсибилизации наночастицами (НЧ) TiO₂, декорированными коллоидными квантовыми точками (КТ) PbS, пассивированными 3-меркаптопропионовой кислотой (3MPA), процесса генерации активных форм кислорода (АФК) и увеличения спектральной чувствительности синтезированных наногетеросистем в красную
область.
В работе проведен анализ фотокаталитических свойств НЧ TiO₂ со структурой анатаза средним размером 12 нм, декорированных коллоидными КТ PbS средним размером 2.7 нм, пассивированных 3MPA. Выполнено структурное и спектральное обоснование формирования наногетероструктур НЧ TiO₂ – КТ PbS/3MPA. При помощи абсорбционных и люминесцентных методик произведена оценка эффективности генерации различных АФК наногетероструктурами НЧ TiO₂ – PbS/3MPA и их отдельными компонентами в условиях возбуждения УФ и видимым излучением.
Показано, что декорирование НЧ TiO₂ КТ PbS приводит к увеличению спектральной области чувствительности к генерации активных форм кислорода от УФ до 1100 нм. Обнаружено увеличение эффективности генерации перекиси водорода наногетероструктурами по сравнению с отдельными КТ PbS и наночастицами TiO₂.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алексей Сергеевич Перепелица, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский
государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Сергей Владимирович Асланов, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

м. н. с. кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Олег Владимирович Овчинников, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, декан физического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Михаил Сергеевич Смирнов, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, доцент кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Ирина Геннадьевна Гревцева, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., старший преподаватель кафедры оптики и спектроскопии,
Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Анатолий Николаевич Латышев, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, профессор кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Тамара Сергеевна Кондратенко, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, доцент кафедры оптики и спектроскопии,
Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Micro and nano technologies, nanotechnology and photocatalysis for environmental applications. M. Tahir, M. Rafique, M. Rafique (eds.). Amsterdam: Elsevier Inc. 2020. 244 p.

Huang F., Yan A., Zhao H. Influences of doping on photocatalytic properties of TiO2 photocatalyst. In: Semiconductor photocatalysis - materials, mechanisms and applications. https://doi.org/10.5772/63234

Li R., Li T., Zhou Q. Impact of titanium dioxide (TiO2) modification on its application to pollution treatment – a review. Catalysts. 2020;10(7): 804. https://doi.org/10.3390/catal10070804

Janczarek M., Kowalska E. On the origin of enhanced photocatalytic activity of copper-modified titania in the oxidative reaction systems. Catalysts. 2017;7(11): 317. https://doi.org/10.3390/catal7110317

Kang I., Wise F. W. Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots. Journal of the Optical Society of America B. 1997;14:(7): 1632–1646. https://doi.org/10.1364/JOSAB.14.001632

Su G., Liu C., Deng Z., Zhao X., Zhou X. Sizedependent photoluminescence of PbS QDs embedded in silicate glasses. Optical materials express. 2017;7(7): 2194–2207. https://doi.org/10.1364/OME.7.002194

Zhang H., Gao Y., Zhu G., Li B., Gou J., Cheng X. Synthesis of PbS/TiO2 nano-tubes photoelectrode and its enhanced visible light driven photocatalytic performance and mechanism for purification of 4-chlorobenzoic acid. Separation and Purification Technology. 2019;227: 115697. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115697

Ratanatawanate C., Tao Y., Balkus K. J. Jr. Photocatalytic activity of PbS quantum dot/TiO2 nanotube composites. Journal of Physical Chemistry. C 2009;113(24): 10755–10760. https://doi.org/10.1021/jp903050h

Wang C., Thompson R. L., Ohodnicki P., Baltrus J., Matranga C. Size-dependent photocatalytic reduction of CO2 with PbS quantum dot sensitized TiO2 heterostructured photocatalysts. Journal of Materials Chemistry. 2011;21: 13452. https://doi.org/10.1039/C1JM12367J

Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Aslanov S. V., Perepelitsa A. S. Luminescent properties of colloidal Ag2S quantum dots for photocatalytic applications. Physics of the Solid State. 2022;64(13): 12054–2061. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.13.53973.19s

Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Perepelitsa A. S., … Hussein A. M. H. Photosensitisation of reactive oxygen species with titanium dioxide nanoparticles decorated with silver sulphide quantum dots. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(4): 511–522. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/10555

Kubelka P., Munk F. An article on optics of paint layers. Fuer Tekn. Physik. 1931;12: 593-609.

Nosaka Y., Nosaka A. Y. Generation and detection of reactive oxygen species in photocatalysis. Chemical Reviews. 2017;117: 11302–11336. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00161

Mohanty J. G., Jaffe J. S., Schulman E. S., Raible D. G. A highly sensitive fluorescent micro-assay of H2O2 release from activated human leukocytes using a dihydroxyphenoxazine derivative. Journal of Immunological Methods. 1997;202(2): 133–141. https://doi.org/10.1016/S0022-1759(96)00244-X

Wafi A., Szabó-Bárdos E., Horváth O., Makó E., Jakab M., Zsirka B. Coumarin-based quantification of hydroxyl radicals and other reactive species generated on excited nitrogen-doped TiO2. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2021;404: 112913. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112913

Herman J., Neal S. L. Efficiency comparison of the imidazole plus RNO method for singlet oxygen detection in biorelevant solvents. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2019;411(20): 5287–5296. https://doi.org/10.1007/s00216-019-01910-2

Sadovnikov S. I., Kozhevnikova N. S., Pushin V. G. , Rempel A. A. Microstructure of nanocrystalline PbS powders and films. Inorganic Materials. 2012;48: 21–27. https://doi.org/10.1134/S002016851201013X

Gusev A. I. Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies*. Moscow: Fizmatlit Publ.; 2005. 416 p. (In Russ.)

Sadovnikov S. I., Rempel A. A. Nonstoichiometric distribution of sulfur atoms in lead sulfide structure. Doklady Physical Chemistry. 2009;428(1): 167–171. https://doi.org/10.1134/S0012501609090024

Kapilashrami M., Zhang Y., Liu Y.-S., Hagfeldt A., Guo J. Probing the optical property and electronic structure of TiO2 nanomaterials for renewable energy applications. Chemical Review. 2014;114: 9662–9707. https://doi.org/10.1021/cr5000893

Murphy A. B. Band-gap determination from diffuse reflectance measurements of semiconductor films, and application to photoelectrochemical watersplitting. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2007;91: 1326–1337. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.05.005

Nakata K., Fujishima A. TiO2 photocatalysis: Design and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2012;13(3): 169–189. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001

Athanasekou C. P., Likodimos V., Falaras P. Recent developments of TiO2 photocatalysis involving advanced oxidation and reduction reactions in water. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018;6(6): 7386–7394. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.07.026

Turrens J. F. Mitochondrial formation of reactive oxygen species. The Journal of Physiology. 2003;552(2): 335-44. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2003.049478

Fujishima A., Zhang X., Tryk D. A. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surface Science Reports. 2008;63(12): 515–582. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2008.10.001

Kohtani S., Yoshioka E., Miyabe H. Photocatalytic hydrogenation on semiconductor particles. In: Hydrogenation. I. Karame (ed.). IntechOpen. 2012. 340 p. https://doi.org/10.5772/45732

Bard A. J., Parsons R., Jordan J. Standart potentials in aqueous solutions. Routledge, 1985. 848 p. https://doi.org/10.1201/9780203738764

Belovolova L.V. Reactive oxygen species in aqueous media (a review). Optics and Spectroscopy. 2020;128: 932–951. https://doi.org/10.1134/S0030400X20070036

Segets D., Lucas J. M., Klupp Taylor R. N., Scheele M., Zheng H., Alivisatos A. P., Peukert W. Determination of the quantum dot band gap dependence on particle size from optical absorbance and transmission electron microscopy measurements. ACS Nano. 2012,6(10): 9021–9032. https://doi.org/10.1021/nn303130d

Ge J., Jia Q., Liu W., … Wang P. Carbon dots with intristic theranostic properties for bioimaging, redlight- triggered photodynamic/photothermal simultaneous therapy in vitro and in vivo. Advanced Healthcare Materials. 2016;5(6): 665-675. https://doi.org/10.1002/adhm.201500720

Bailón-Ruiz S., Perales-Pérez O. J. Generation of singlet oxygen by water-stable CdSe(S) and Znse(S) quantum dots. Applied Materials Today. 2017;9: 161-166. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2017.06.006