Effect of metal ion-doping on characteristics and photocatalytic activity of TiO₂ nanotubes for removal of humic acid from water

Abstract

The effect of ion-doping on TiO₂ nanotubes were investigated to obtain the optimal TiO₂ nanotubes for the effective decomposition of humic acids (HA) through O₃/UV/ion-doped TiO₂ process. The experimental results show that changing the calcination temperature, which changed the weight fractions of the anatase phase, the average crystallite sizes, the Brunauer-Emmett-Teller surface area, and the energy band gap of the catalyst, affected the photocatalytic activity of the catalyst. The ionic radius, valence state, and configuration of the dopant also affected the photocatalytic activity. The photocatalytic activities of the catalysts on HA removal increased when Ag⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, V⁵⁺, and Zn²⁺ were doped into the TiO₂ nanotubes, whereas such activities decreased as a result of Mn²⁺- and Ni²⁺-doping. In the presence of 1.0 at.% Fe³⁺-doped TiO₂ nanotubes calcined at 550°C, the removal efficiency of HA was 80% with a pseudo-first-order rate constant of 0.158 min⁻¹. Fe³⁺ in TiO₂ could increase the generation of ·OH, which could remove HA. However, Fe³⁺ in water cannot function as a shallow trapping site for electrons or holes.

Keywords

TiO₂ nanotubes / ion-doping / humic acids / pseudo-first-order / mechanism

References

[1] Wiszniowski J, Robert D, Surmacz-Gorska J, Miksch K, Malato S, Weber J. Solar photocatalytic degradation of humic acids as a model of organic compounds of landfill leachate in pilot-plant experiments: influence of inorganic salts. Applied Catalysis B: Environmental, 2004, 53(2): 127–137

[2] Wei M C, Wang K S, Hsiao T E, Lin I C, Wu H J, Wu Y L, Liu P H, Chang S H. Effects of UV irradiation on humic acid removal by ozonation, Fenton and Fe⁰/air treatment: THMFP and biotoxicity evaluation. Journal of Hazardous Materials, 2011, 195: 324–331

[3] Zhu H, Wen X, Huang X. Membrane organic fouling and the effect of preozonation in microfiltration of secondary effluent organic matter. Journal of Membrane Science, 2010, 352(1): 213–221

[4] Imai D, Dabwan A H A, Kaneco S, Katsumata H, Suzuki T, Kato T, Ohta K. Degradation of marine humic acids by ozone-initiated radical reactions. Chemical Engineering Journal, 2009, 148(2): 336–341

[5] Ghouas H, Haddou B, Kameche M, Derriche Z, Gourdon C. Extraction of humic acid by coacervate: investigation of direct and back processes. Journal of Hazardous Materials, 2012, 205–206: 171–178

[6] Lin C, Lin K S. Photocatalytic oxidation of toxic organohalides with TiO₂/UV: the effects of humic substances and organic mixtures. Chemosphere, 2007, 66(10): 1872–1877

[7] Carp O, Huisman C L, Reller A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Progress in Solid State Chemistry, 2004, 32(1–2): 33–177

[8] Adewuyi Y G. Sonochemistry: environmental science and engineering applications. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(22): 4681–4715

[9] Tachikawa T, Tojo S, Fujitsuka M, Sekino T, Majima T. Photoinduced charge separation in titania nanotubes. The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(29): 14055–14059

[10] Pang Y L, Abdullah A Z. Comparative study on the process behavior and reaction kinetics in sonocatalytic degradation of organic dyes by powder and nanotubes TiO₂. Ultrasonics Sonochemistry, 2012, 19(3): 642–651

[11] Sun L, Li J, Wang C L, Li S F, Chen H B, Lin C J. An electrochemical strategy of doping Fe³⁺ into TiO₂ nanotube array films for enhancement in photocatalytic activity. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2009, 93(10): 1875–1880

[12] Li X, Zou X, Qu Z, Zhao Q, Wang L. Photocatalytic degradation of gaseous toluene over Ag-doping TiO₂ nanotube powder prepared by anodization coupled with impregnation method. Chemosphere, 2011, 83(5): 674–679

[13] Pang Y L, Abdullah A Z. Effect of low Fe³⁺ doping on characteristics, sonocatalytic activity and reusability of TiO₂ nanotubes catalysts for removal of Rhodamine B from water. Journal of Hazardous Materials, 2012, 235: 326–335

[14] Spurr R A, Myers H. Quantitative analysis of anatase-rutile mixtures with an X-ray diffractometer. Analytical Chemistry, 1957, 29(5): 760–762

[15] Gerenser L J. Photoemission investigation of silver/poly(ethylene terephthalate) interfacial chemistry: the effect of oxygen–plasma treatment. Journal of Vacuum Science & Technology. A, Vacuum, Surfaces, and Films, 1990, 8(5): 3682–3691

[16] Epifani M, Giannini C, Tapfer L, Vasanelli L. Sol-gel synthesis and characterization of Ag and Au nanoparticles in SiO₂, TiO₂, and ZrO₂ thin films. Journal of the American Ceramic Society, 2000, 83(10): 2385–2393

[17] Ravichandran L, Selvam K, Krishnakumar B, Swaminathan M. Photovalorisation of pentafluorobenzoic acid with platinum doped TiO₂. Journal of Hazardous Materials, 2009, 167(1–3): 763–769

[18] Stranak V, Quaas M, Bogdanowicz R, Steffen H, Wulff H, Hubicka Z, Tichy M, Hippler R. Effect of nitrogen doping on TiO_xN_y thin film formation at reactive high-power pulsed magnetron sputtering. Journal of Physics. D, Applied Physics, 2010, 43(28): 285203

[19] Yoshida R, Suzuki Y, Yoshikawa S. Effects of synthetic conditions and heat-treatment on the structure of partially ion-exchanged titanate nanotubes. Materials Chemistry and Physics, 2005, 91(2): 409–416

[20] Leinen D, Lassaletta G, Fernandez A, Caballero A, Gonzalez-Elipe A R, Martin J M, Vacher B.Ion beam induced chemical vapor deposition procedure for the preparation of oxide thin films. II. Preparation and characterization of Al_xTi_yO_z thin films. Journal of Vacuum Science & Technology, 1996, A14(5): 2842–2848

[21] Kim D S, Han S J, Kwak S Y. Synthesis and photocatalytic activity of mesoporous TiO(₂) with the surface area, crystallite size, and pore size. Journal of Colloid and Interface Science, 2007, 316(1): 85–91

[22] Zhang G W, He G H, Xue W L, Xu X F, Liu D N, Xu Y H. Enhanced photocatalytic performance of titania nanotubes modified with sulfuric acid. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2012, 363–364: 423–429

[23] Pang Y L, Abdullah A Z. Fe³⁺ doped TiO₂ nanotubes for combined adsorption–sonocatalytic degradation of real textile wastewater. Applied Catalysis B: Environmental, 2013, 129: 473–481

[24] Yu J, Xiang Q, Zhou M. Preparation, characterization and visible-light-driven photocatalytic activity of Fe-doped titania nanorods and first-principles study for electronic structures. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 90(3–4): 595–602

[25] Li A Z, Zhao X, Liu H J, Qu J H. Characteristic transformation of humic acid during photoelectrocatalysis process and its subsequent disinfection byproduct formation potential. Water Research, 2011, 45(18): 6131–6140

[26] Kiriakidou F, Kondarides D I, Verykios X E. The effect of operational parameters and TiO₂-doping on the photocatalytic degradation of azo-dyes. Catalysis Today, 1999, 54(1): 119–130

[27] Zang L, Liu C Y, Ren X M. Photochemistry of semiconductor particles: Part 4.–Effects of surface condition on the photodegradation of 2,4-Dichlorophenol catalysed by TiO₂ suspensions. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1995, 91(5): 917–923

[28] Franzen H F, Umaña M X, McCreary J R, Thorn R J. XPS spectra of some transition metal and alkaline earth monochalcogenides. Journal of Solid State Chemistry, 1976, 18(4): 363–368

Acknowledgment

We gratefully acknowledge the financial support from the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51178043).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg