Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems

Hydrophilic, self-clean and anti-fog SiO2-TiO2 thin film photocatalyst under visible light irradiation

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Condensed Matter Physics, Faculty of Physics, Alzahra University, Tehran, 1993893973, Iran

2 Photonics and Quantum Technologies Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Tehran, 141551339, Iran

Abstract

Silicon dioxide-titanium dioxide (SiO2-TiO2) thin films with super-hydrophilic properties and photocatalytic activity were deposited on the glass substrates by a simple dip-coating method. Morphological, structural and optical properties of the SiO2-TiO2 thin films were characterized using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), X-Ray Diffraction (XRD) patterns, and UV-Vis spectroscopy. The XRD patterns indicate decrease in the crystallite size from 51.0 nm to 22.7 nm with addition of SiO2 to the TiO2 structure. Moreover, the estimated band gap from optical measurements has a reduction from 3.13 eV to 2.63 eV for the SiO2-TiO2 sample. Water Contact Angle (WCA) measurements showed that SiO2-TiO2 thin film has super-hydrophilic property and self-cleaning, rainproof, anti-fog properties which can be effectively controlled by visible light illumination. An improved photocatalytic performance compared to TiO2 in terms of higher efficiency (~100%) in degradation of methylene blue (MB) pollutant under visible light was achieved.

Keywords

Main Subjects

Article Title [Persian]

فوتوکاتالیست آبدوست، خودتمیز شونده و ضد مه لایه نازک SiO2-TiO2 تحت تابش نور مرئی

Authors [Persian]

  • سمیرا محمد درویش 1
  • امیر علی مسعودی 1
  • عبرالله مرتضی علی 1
  • زهرا سادات حسینی 2

1 گروه ماده چکال، دانشکده فیزیک، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران

2 پژوهشکده فوتونیک و فناوری های کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، سازمان انرژی اتمی، تهران، ایران

Abstract [Persian]

لایه‌های نازک دی اکسید سیلیسیم- دی اکسید تیتانیوم (SiO2-TiO2) با خواص ابرآبدوستی و فعالیت فوتوکاتالیستی بر روی زیرلایه شیشه با روش پوشش دهی آسان قرار گرفتند. خواص مورفولوژی، ساختاری و نوری لایه‌های نازک  SiO2-TiO2 با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی(FESEM)، الگوهای پراش اشعه ایکس (XRD)  و طیف سنج UV-Vis مشخص شد. الگوهای XRD نشان دهنده‌ی کاهش اندازه کریستالی از ۵۱ نانومتر به ۷/۲۲ نانومتر با افزودن SiO2 به ساختار TiO2 است. علاوه بر این، باندگپ انرژی تقریبی از اندازه‌گیری‌های نوری، کاهشی از ۱۳/۳ الکترون ولت به ۶۳/۲ الکترون ولت برای نمونه SiO2-TiO2 دارد. اندازه‌گیری‌های زاویه تماس آب (WCA) نشان داد که لایه نازک  SiO2-TiO2دارای خاصیت ابرآبدوستی و ویژگی‌های خودتمیزشوندگی، ضد باران، ضدمه است که می تواند به طور موثر با نور مرئی کنترل شود. عملکرد فوتوکاتالیستی بهبود یافته در مقایسه با TiO2 از نظر راندمان بالا (۱۰۰٪) در تخریب آلاینده متیلن بلو(MB) تحت نور مرئی به دست آمد.

Keywords [Persian]

  • SiO2-TiO2
  • لایه نازک
  • فوتوکاتالیست
  • ابرآبدوست
  • نور مرئی
[1]. R. Fateh, R. Dillert, and D. Bahnemann, “Preparation and characterization of transparent hydrophilic photocatalytic TiO2/SiO2 thin films on polycarbonate.” Langmuir 29 (2013) 3730−3739.
[2]. A. Syafiq, B. Vengadaesvaran, A. K. Pandey, and Nasrudin Abd. Rahim, “Super-hydrophilic Smart Coating for self-cleaning application on glass substrate.” Journal of Nanomaterials 1 (2018) 1-10.
[3]. M. Zhang, E. Lei, R. Zhang, Z. Liu, “The effect of SiO2 on TiO2-SiO2 composite film for self-cleaning application.” Surfaces and Interfaces 16 (2019) 194-198.
[4]. S. Mohammad Darvish, A.A. Masoudi, A. Mortezaali and Z. S. Hosseini, “Enhanced visible light photocatalytic activity of nanostructured SiO2-TiO2 thin films through optimizing thickness.” Physica Scripta  98 (2023) 1-12.
[5]. M. Niraula, S. Adhikari, D. Yeon Lee, E-K. Kim, S. Joon Yoon, S. K. Dhungel, W. Lee, N. K. Shrestha, S-H. Han, “Titania nanotube-silver phosphate hybrid heterostructure for improved visible light induced photocatalysis.” Chemical Physics Letters 593 (2014) 193-197.
[6]. Z. Zhao, W. Zhang, X. Shen, T. Muhmood, M. Xia, W. Lei, F. Wang and M. Asim Khan, “Preparation of g-C3N4/TiO2/BiVO4 composite and its application in photocatalytic degradation of pollutant from TATB production under visible light irradiation.” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 358 (2018) 246-255.
[7]. M. Zhang, N. Han, Y. Fei, J. Liu, L. Xing, A. Nú˜nez-Delgado, M. Jiang, Sh. Liu, “TiO2/g-C3N4 photocatalyst for the purification of potassium butyl xanthate in mineral processing wastewater.”  Journal of Environmental Management 297 (2021) 1-11.
[8]. B. Ge, L. Han, B. Gao, T. Zhang, X. Li, X. Zhu, X. Pu & W. Li, “A mesoporous SiO2/TiO2 composite used for various emulsions separation.” Separation Science and Technology 54 (2019) 962-969.
[9]. Z-Y. Shen, L-Y Li, Y. Li, Ch-Ch. Wang, “Fabrication of hydroxyl group modified monodispersed hybrid silica particles and the h-SiO2/TiO2 core/shell microspheres as high performance photocatalyst for dye degradation.”  Journal of Colloid and Interface Science 354 (2011) 196–201.
[10]. Z-Y. Yang, G-Y. Shen, Y-P. He, X-X. Liu, Sh-J. Yang, “Preparation of TiO2/SiO2 composite oxide and its photocatalytic degradation of rhodamine B.” Journal of Porous Materials 23 (2016) 589–599.
[11]. Z. Buniazet, J. Couble, D. Bianchi, M. Rivallan, A. Cabiac, S. Maury, S. Loridant, “Unravelling water effects on solid acid catalysts: Case study of TiO2/SiO2 as a catalyst for the dehydration of isobutanol.” Journal of Catalysis 348 (2017) 125–134.
[12]. T. Huang, W. Huang, C. Zhou, Y. Situ, H. Huang, “Super-hydrophilicity of TiO2/SiO2 thin films: Synergistic effect of SiO2 and phase-separation-induced porous structure.” Surface & Coatings Technology 213 (2012) 126–132.
[13]. Q. Mao, D. Zeng, K.  Xu and C. Xie, “Fabrication of porous TiO2–SiO2 multifunctional anti-reflection coatings by sol–gel spin coating method.” The Royal Society of Chemistry Advances 4 (2014) 58101-58107.
[14]. N. Radic´, B. Grbic´, S. Stojadinovic´, M. Ilic´, O. Dosˇen, and P. Stefanov, “TiO2–CeO2 composite coatings for photocatalytic degradation of chloropesticide and organic dye.” Journal of Materials Science: Materials in Electronics 33 (2022) 5073–5086.
[15]. M. Alzamani1, E. Eghdam, “Sol–gel synthesis of TiO2 nanostructured film on SiO2 pre-coated glass with a comparative study of solvent effect on the film properties.” Journal of Sol-Gel Science and Technology 80 (2016) 19–29.
[16]. S. Banerjee, D. D. Dionysiou, and S. C. Pillai, “Self-Cleaning Applications of TiO2 by Photo-Induced Hydrophilicity and Photocatalysis.” Applied Catalysis B: Environmental 176 (2015) 396-428.
[17]. M. Shahnooshi, A. Eshaghi and A. Ali Aghaei, “Transparent anti-fogging and anti-scratch SiO2/SiO2–TiO2 thin film on polycarbonate substrate.” Materials Research Express 6 (2019) 1-9.
Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems
Volume 7, Issue 1
December 2023
Pages 685-691