Фотокатализаторы на основе нанолистов TiO2 с кислородными вакансиями для повышения активности в реакции выделения водорода: синтез и DFT-вычисления

Р.Е. Бейсенов; А.Д. Құдайберген; Б.П. Базарбаев; Е.Е. Бейсенова; З.А. Мансуров

doi:10.18321/cpc23(3)233-242

Авторлар

Р.Е. Бейсенов Қазақстан-Британ техникалық университеті, Төле би к., 59, Алматы, Қазақстан; Жану проблемалары институты, Бөгенбай Батыр к., 172, Алматы, Қазақстан
А.Д. Құдайберген Қазақстан-Британ техникалық университеті, Төле би к., 59, Алматы, Қазақстан; Жану проблемалары институты, Бөгенбай Батыр к., 172, Алматы, Қазақстан; Қ.И. Сәтбаев атындағы ҚазҰТЗУ, Сәтбаев к., 22, Алматы, Қазақстан
Б.П. Базарбаев Қазақстан-Британ техникалық университеті, Төле би к., 59, Алматы, Қазақстан; Жану проблемалары институты, Бөгенбай Батыр к., 172, Алматы, Қазақстан
Е.Е. Бейсенова Қазақстан-Британ техникалық университеті, Төле би к., 59, Алматы, Қазақстан
З.А. Мансуров Жану проблемалары институты, Бөгенбай Батыр к., 172, Алматы, Қазақстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(3)233-242

Кілт сөздер:

фотокатализ, TiO2, ПЭТ, гидротермалды синтез, DFT

Аңдатпа

Осы жұмыста титан фольгасының бетінде плазмалық-электролиттік тотығу (ПЭТ) әдісі арқылы наноқұрылымдардың гидротермалды өсуімен TiO₂ нанопарақтарын синтездеудің тиімді тәсілі ұсынылды. Материалдың электрондық қасиеттерін оңтайландыруға және оны Мо-допингтеу кезінде сутегі бөлінуінің фотокаталитикалық реакциясындағы белсенділігін арттыруға бағытталған DFT-есептеулер жүргізілді. ПЭТ әдісі жоғары адгезияға ие кеуекті TiO₂ тұқымдық қабатын қалыптастыруға мүмкіндік береді. Оның негізінде көп сатылы процесс барысында in situ режимінде натрий титанатының нанопарақ құрылымдары түзіледі және олардың әрі қарай кеңейтілген меншікті беткейге ие TiO₂ нанопарақтарына түрленуі жүзеге асады. Анатаз фазасында түзілетін оттегі вакансиялары оттегі иондарының адсорбциясында және фотокаталитикалық процестерді белсендіруде маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, тығыздық функционал теориясы (DFT) әдісімен жүргізілген модельдеу жүйенің фотокаталитикалық белсенділігін де, тұрақтылығын да арттыратынын Мо-мен допингтеу және бетті модификациялау тыйым салынған аймақтың енінің төмендеуіне (2,67-ден 2,4 эВ-қа дейін) әкелетінін растады. Ұсынылған тәсіл титан негізіндегі берік адгезияға ие монолитті наноқұрылымды фотокатализаторларды көлемді синтездеудің перспективті стратегиясын ұсынады.

Әдебиеттер тізімі

(1) C. Anand, B. Chandraja, P. Nithiya, et al. Green hydrogen for a sustainable future: A review of production methods, innovations, and applications, Int. J. Hydrogen Energy 111 (2025) 319–341. Crossref

(2) M.M. Hossain Bhuiyan, Z. Siddique. Hydrogen as an alternative fuel: A comprehensive review of challenges and opportunities in production, storage, and transportation, Int. J. Hydrogen Energy 102 (2025) 1026–1044. Crossref

(3) B. Abhishek, J. Arasalike, A.S. Rao, et al. Challenges in photocatalytic hydrogen evolution: Importance of photocatalysts and photocatalytic reactors, Int. J. Hydrogen Energy 81 (2024) 1442–1466. Crossref

(4) J. Zhou, Y. Tian, H. Gu, et al. Photocatalytic hydrogen evolution: Recent advances in materials, modifications, and photothermal synergy, Int. J. Hydrogen Energy 115 (2025) 113–130. Crossref

(5) S. Cao, W. Huang, S. Zhang, et al. A simple strategy to increase the interfacial adhesion between TiO2 nanotube layer and Ti substrate, J. Alloys Compd. 772 (2019) 173–177. Crossref

(6) M. Zhao, J. Li, Y. Li, et al. Gradient control of the adhesive force between Ti/TiO2 nanotubular arrays fabricated by anodization, Sci. Rep. 4 (2014) 7178. Crossref

(7) I.P. Torres-Avila, R.M. Souza, A. Chino-Ulloa, et al. Effect of anodization time on the adhesion strength of titanium nanotubes obtained on the surface of the Ti-6Al-4V alloy by anodic oxidation, Crystals 13 (2023) 1059. Crossref

(8) G.C. Cardoso, C.R. Grandini, J.V. Rau. Comprehensive review of PEO coatings on titanium alloys for biomedical implants, J. Mater. Res. Technol. 31 (2024) 311–328. Crossref

(9) A.G. McCarroll, P.L. Menezes. Modern innovations and applications in plasma electrolytic oxidation coatings on aluminum magnesium, and titanium, Coatings 15 (2025) 592. Crossref

(10) R.R. Lucas, R.C.M. Sales-Contini, F.J.G. da Silva, et al. Plasma electrolytic oxidation (PEO): An alternative to conventional anodization process, AIMS Mater. Sci. 11 (2024) 684–711. Crossref

(11) W. Lu, W. Yang, H. Zhang, et al. Oxygenvacancy-engineered MoTiO electrode boosting the exceptional catalytic activity for hydrogen evolution, Int. J. Hydrogen Energy 138 (2025) 423–433. Crossref

(12) P. Karuppasamy, N. Ramzan Nilofar Nisha, A. Pugazhendhi, et al. An investigation of transition metal doped TiO2 photocatalysts for the enhanced photocatalytic decoloration of methylene blue dye under visible light irradiation, J. Environ. Chem. Eng. 9 (2021) 105254. Crossref

(13) M. Sultana, A. Mondal, S. Islam, et al. Strategic development of metal doped TiO2 photocatalysts for enhanced dye degradation activity under UV-Vis irradiation: A review, Curr. Res. Green Sustain. Chem. 7 (2023) 100383. Crossref

(14) J. Huang, X. Guo, B. Wang, et al. Synthesis and photocatalytic activity of Mo-doped TiO2 nanoparticles, J. Spectrosc. (2015) 681850. Crossref

(15) M. Meftahi, S.H. Jafari, M. Habibi-Rezaei. Fabrication of Mo-doped TiO2 nanotube arrays photocatalysts: The effect of Mo dopant addition time to an aqueous electrolyte on the structure and photocatalytic activity, Ceram. Int. 49 (2023) 11411–11422. Crossref

(16) H. Khan, M. Khan, Y. Iqbal, et al. Molybdenum-doped TiO2 nanoparticles for enhanced photocatalytic activity: A combined experimental and theoretical study, Results Opt. 21 (2025) 100850. Crossref

(17) D. Xiang, C. Han, J. Zhang, et al. Gap states assisted MoO3 nanobelt photodetector with wide spectrum response, Sci. Rep. 4 (2014) 4891. Crossref

(18) C. Cheng, A. Wang, M. Humayun, et al. Recent advances of oxygen vacancies in MoO3: Preparation and roles, Chem. Eng. J. 498 (2024) 155246. Crossref

(19) S. Du, F. Zhang. General applications of density functional theory in photocatalysis, Chin. J. Catal. 61 (2024) 1–36. Crossref

(20) C.H. Lin, J. Rohilla, H.H. Kuo, et al. Densityfunctional theory studies on photocatalysis and photoelectrocatalysis: Challenges and opportunities, Solar RRL 8 (2024) 2300948. Crossref

(21) A.D. Kudaibergen, Z.B. Kuspanov, A.N. Issadykov, et al. Synthesis, structure, and energetic characteristics of perovskite photocatalyst SrTiO3: An experimental and DFT study, Eurasian Chem. Technol. J. 25 (2023) 139–146. Crossref

(22) V. Kumaravel, S. Rhatigan, S. Mathew, et al. Mo doped TiO2: Impact on oxygen vacancies, anatase phase stability and photocatalytic activity, J. Phys. Mater. 3 (2020) 025008. Crossref