Preparation and characterization of phosphate-modified mesoporous TiO₂ incorporated in a silica matrix and their photocatalytic properties in the photodegradation of Congo red

Abstract

This study describes the development of mesostructured TiO₂ photocatalysts modified with PO₄³⁻ to improve its specific surface area and reduce the recombination rate of the electron‒hole pairs. The mesoporous photocatalyst was successfully incorporated into a high specific surface area silica matrix by the hydrolysis reaction of tetraethyl orthosilicate (TEOS). Pluronic 123 and phosphoric acid were used as the directing agent for the structure of the mesoporous TiO₂ and as a source of phosphorus, respectively. TiO₂, P/TiO₂, TiO₂‒SiO₂ and P/TiO₂‒SiO₂ materials were characterized by BET, XRD, TEM-EDS, FTIR and UV-vis DRS measurements. The photoactivity of TiO₂‒SiO₂ nanocomposites containing 15 wt.% photocatalyst/silica was evaluated in the degradation reaction of anionic dyes with UV radiation. The proposed nanomaterials showed high potential for applications in the remediation of wastewater, being able to reuse in several cycles of reaction, maintaining its photoactivity and stability. The separation and recovery time of the material is reduced between cycles since no centrifugation or filtration processes are required after the photooxidation reaction.

Keywords

photocatalysis / phosphated TiO₂ / TiO₂‒SiO₂ / Congo red dye

References

[1] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238(5358): 37–38

[2] Han F, Kambala V S R, Srinivasan M, . Tailored titanium dioxide photocatalysts for the degradation of organic dyes in wastewater treatment: A review. Applied Catalysis A: General, 2009, 359(1–2): 25–40

[3] Reddy K M, Manorama S V, Reddy A R. Bandgap studies on anatase titanium dioxide nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 2003, 78(1): 239–245

[4] Mo S D, Ching W Y. Electronic and optical properties of three phases of titanium dioxide: Rutile, anatase, and brookite. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1995, 51(19): 13023–13032

[5] Pekakis P A, Xekoukoulotakis N P, Mantzavinos D. Treatment of textile dyehouse wastewater by TiO₂ photocatalysis. Water Research, 2006, 40(6): 1276–1286

[6] Almquist C B, Biswas P. Role of synthesis method and particle size of nanostructured TiO₂ on its photoactivity. Journal of Catalysis, 2002, 212(2): 145–156

[7] Yoshitake H, Sugihara T, Tatsumi T. Preparation of Wormhole-like mesoporous TiO₂ with an extremely large surface area and stabilization of its surface by chemical vapor deposition. Chemistry of Materials, 2002, 14(3): 1023–1029

[8] Soler-Illia G J D A, Sanchez C. Interactions between poly(ethylene oxide)-based surfactants and transition metal alkoxides: their role in the templated construction of mesostructured hybrid organic–inorganic composites. New Journal of Chemistry, 2000, 24(7): 493–499

[9] Soler-Illia G J D A, Scolan E, Louis A, . Design of meso-structured titanium oxo based hybrid organic–inorganic networks. New Journal of Chemistry, 2001, 25(1): 156–165

[10] Calleja G, Serrano D P, Sanz R, . Study on the synthesis of high-surface-area mesoporous TiO₂ in the presence of nonionic surfactants. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004, 43(10): 2485–2492

[11] Calleja G, Serrano D P, Sanz R, . Mesostructured SiO₂-doped TiO₂ with enhanced thermal stability prepared by a soft-templating sol–gel route. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 111(1–3): 429–440

[12] Wang W, Lu C, Ni Y, . Enhanced performance of {001} facets dominated mesoporous TiO₂ photocatalyst composed of high-reactive nanocrystals and mesoporous spheres. Applied Surface Science, 2013, 265: 438–442

[13] Zhao Z, Sun Z, Zhao H, . Phase control of hierarchically structured mesoporous anatase TiO₂ microspheres covered with {001} facets. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(41): 21965–21971

[14] Ismail A A, Bahnemann D W, Robben L, . Palladium doped porous titania photocatalysts: impact of mesoporous order and crystallinity. Chemistry of Materials, 2010, 22(1): 108–116

[15] Wang Z C, Shui H F. Effect of PO₄^3– and PO₄^3––SO₄^2– modification of TiO₂ on its photocatalytic properties. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2007, 263(1–2): 20–25

[16] Shi Q, Yang D, Jiang Z, . Visible-light photocatalytic regeneration of NADH using P-doped TiO₂ nanoparticles. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2006, 43(1–4): 44–48

[17] Kőrösi L, Dékány I. Preparation and investigation of structural and photocatalytic properties of phosphate modified titanium dioxide. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006, 280(1–3): 146–154

[18] Lin L, Lin W, Xie J L, . Photocatalytic properties of phosphor-doped titania nanoparticles. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 75(1–2): 52–58

[19] Yu H F, Zhang Z W, Hu F C. Phase stabilities and photocatalytic activities of P/Zn–TiO₂ nanoparticles able to operate under UV-vis light irradiation. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 465(1–2): 484–490

[20] Li F, Jiang Y, Xia M, . Effect of the P/Ti ratio on the visible-light photocatalytic activity of P-doped TiO₂. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(42): 18134–18141

[21] Shan A Y, Ghazi T I M, Rashid S A. Immobilisation of titanium dioxide onto supporting materials in heterogeneous photocatalysis: A review. Applied Catalysis A: General, 2010, 389(1–2): 1–8

[22] Zhu B, Zou L. Trapping and decomposing of color compounds from recycled water by TiO₂ coated activated carbon. Journal of Environmental Management, 2009, 90(11): 3217–3225

[23] Jin L, Dai B. TiO₂ activation using acid-treated vermiculite as a support: Characteristics and photoreactivity. Applied Surface Science, 2012, 258(8): 3386–3392

[24] Stathatos E, Papoulis D, Aggelopoulos C A, . TiO₂/palygorskite composite nanocrystalline films prepared by surfactant templating route: synergistic effect to the photocatalytic degradation of an azo-dye in water. Journal of Hazardous Materials, 2012, 211–212: 68–76

[25] Chen Y, Wang K, Lou L. Photodegradation of dye pollutants on silica gel supported TiO₂ particles under visible light irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2004, 163(1–2): 281–287

[26] Li Y, Kim S J. Synthesis and characterization of nano titania particles embedded in mesoporous silica with both high photocatalytic activity and adsorption capability. The Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109(25): 12309–12315

[27] Yu J C, Zhang L, Zheng Z, . Synthesis and characterization of phosphated mesoporous titanium dioxide with high photocatalytic activity. Chemistry of Materials, 2003, 15(11): 2280–2286

[28] Monshi A, Foroughi M R, Monshi M R. Modified Scherrer equation to estimate more accurately nano-crystallite size using XRD. World Journal of Nano Science and Engineering, 2012, 2(3): 154–160

[29] Yu J C, Zhang L Z, Yu J G. Rapid synthesis of mesoporous TiO₂ with high photocatalytic activity by ultrasound-induced agglomeration. New Journal of Chemistry, 2002, 26(4): 416–420

[30] Thommes M, Kaneko K, Neimark A V, . Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 2015, 87(9–10): 1051–1069

[31] Nadtochenko V, Denisov N, Gorenberg A, . Correlations for photocatalytic activity and spectral features of the absorption band edge of TiO₂ modified by thiourea. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 91(1–2): 460–469

[32] Tauc J, Grigorovici R, Vancu A. Optical properties and electronic structure of amorphous germanium. physica status solidi, 1966, 15(2): 627–637

[33] Yamashita H, Ichihashi Y, Harada M, . Photocatalytic degradation of 1-Octanol on anchored titanium oxide and on TiO₂ powder catalysts. Journal of Catalysis, 1996, 158(1): 97–101

[34] Rahman I A, Vejayakumaran P, Sipaut C S, . Size-dependent physicochemical and optical properties of silica nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 2009, 114(1): 328–332

[35] Connor P A, McQuillan A J. Phosphate adsorption onto TiO₂ from aqueous solutions: an in situ internal reflection infrared spectroscopic study. Langmuir, 1999, 15(8): 2916–2921

[36] Pucher P, Benmami M, Azouani R, . Nano-TiO₂ sols immobilized on porous silica as new efficient photocatalyst. Applied Catalysis A: General, 2007, 332(2): 297–303

[37] Lachheb H, Puzenat E, Houas A, . Photocatalytic degradation of various types of dyes (Alizarin S, Crocein Orange G, Methyl Red, Congo Red, Methylene Blue) in water by UV-irradiated titania. Applied Catalysis B: Environmental, 2002, 39(1): 75–90

[38] Zhu H, Jiang R, Xiao L, . Photocatalytic decolorization and degradation of Congo Red on innovative crosslinked chitosan/nano-CdS composite catalyst under visible light irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2009, 169(1–3): 933–940

[39] Wang J, Li R, Zhang Z, . Efficient photocatalytic degradation of organic dyes over titanium dioxide coating upconversion luminescence agent under visible and sunlight irradiation. Applied Catalysis A: General, 2008, 334(1–2): 227–233

[40] Ince N H, Tezcanlí G. Reactive dyestuff degradation by combined sonolysis and ozonation. Dyes and Pigments, 2001, 49(3): 145–153

[41] Iida Y, Kozuka T, Tuziuti T, . Sonochemically enhanced adsorption and degradation of methyl orange with activated aluminas. Ultrasonics, 2004, 42(1–9): 635–639

Acknowledgements

We thank the National Science and Technology Council of Mexico (CONACYT) for the Scholarship No. 313880. We are very grateful to Victor Hugo Lara and Patricia Castillo for their timely and professional technical assessment in several of the experimental techniques employed in this work.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg