How thermal stability of ionic liquids leads to more efficient TiO2-based nanophotocatalysts: Theoretical and experimental studies
Abstrakt
Ionic liquids (ILs) containing distinct nitrogen-bearing organic cations (pyridinium, pyrrolidinium, imidazolium, ammonium, morpholinium) were first used for the preparation of 23 IL-TiO2 types of composites by ionic liquid assisted solvothermal synthesis. These 23 optimal ILs structures (i.e. compounds exhibiting an optimal combination of specific properties, functionality, and safety) for synthesis and experimental validation were selected by computational high-throughput screening from a combinatorically created library containing 836 ILs theoretically designed and characterized candidates. Then, selected IL-TiO2 structures with potential photocatalytic activity were synthesized with the use of solvothermal reaction. Then, the decomposition level, the role of the individual IL cation structure on the morphology, thermal stability, surface and photocatalytic properties of the IL-TiO2 microparticles were determined experimentally. The chemoinformatic analysis of the relationship between the structure of the ionic liquid, its thermal stability under the conditions of synthesis and photocatalytic activity was applied for the first time. The results presented here are the first step in the development of methodology (combined experimental and theoretical) that may simplify the procedure of designing safer and more efficient TiO2-based photocatalyst. The developed computational methodology makes it possible to predict properties of newly synthesized IL-TiO2 materials before synthesis and identifies structural features of ILs that influence the efficiency of IL-TiO2 system. The presented approach reduces the number and cost of necessary experiments, as well as increases the success ratio of efficient TiO2-based photocatalyst design by a selection of optimal IL structures (i.e. ionic liquid characterized by a combination of most promising physicochemical features).
Cytowania
-
1 0
CrossRef
-
0
Web of Science
-
1 0
Scopus
Autorzy (7)
Cytuj jako
Pełna treść
- Wersja publikacji
- Accepted albo Published Version
- Licencja
- otwiera się w nowej karcie
Słowa kluczowe
Informacje szczegółowe
- Kategoria:
- Publikacja w czasopiśmie
- Typ:
- artykuły w czasopismach
- Opublikowano w:
-
JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE
nr 572,
strony 396 - 407,
ISSN: 0021-9797 - Język:
- angielski
- Rok wydania:
- 2020
- Opis bibliograficzny:
- Rybińska-Fryca A., Mikoajczyk A., Łuczak J., Paszkiewicz-Gawron M., Paszkiewicz M., Zaleska-Medynska A., Puzyn T.: How thermal stability of ionic liquids leads to more efficient TiO2-based nanophotocatalysts: Theoretical and experimental studies// JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE -Vol. 572, (2020), s.396-407
- DOI:
- Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1016/j.jcis.2020.03.079
- Bibliografia: test
-
- A. Fujishima, N.R. Tata, D.A. Tryk, Titanium dioxide photocatalysis, J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. 1 (2000) 1-21, https://doi.org/ 10.1016/S1389-5567(00)00002-2. otwiera się w nowej karcie
- B. Ohtani, Photocatalysis A to Z-What we know and what we do not know in a scientific sense, J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. 11 (2010) 157 - 178, https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2011.02.001. otwiera się w nowej karcie
- K. Nakata, A. Fujishima, TiO2 photocatalysis: Design and applications, J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. 13 (2012) 169-189, https://doi.org/ 10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001. otwiera się w nowej karcie
- M.A. Fox, M.T. Dulay, Heterogeneous photocatalysis, Chem. Rev. 93 (1993) 341-357, https://doi.org/10.1021/cr00017a016. otwiera się w nowej karcie
- J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, D.W. Bahnemann, Understanding TiO2 photocatalysis: mechanisms and materials, Chem. Rev. 114 (2014) 9919-9986, https://doi.org/10.1021/cr5001892. otwiera się w nowej karcie
- Q. Wang, K. Domen, Particulate photocatalysts for light-driven water splitting: mechanisms, challenges, and design strategies, Chem. Rev. 120 (2020) 919- 985, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00201. otwiera się w nowej karcie
- D. Fattakhova-Rohlfing, A. Zaleska, T. Bein, Three-dimensional titanium dioxide nanomaterials, Chem. Rev. 114 (2014) 9487-9558, https://doi.org/ 10.1021/cr500201c. otwiera się w nowej karcie
- Y. Shu, X. Gong, Z. Jiang, L. Lu, X. Xu, C. Wang, H. Deng, Metal-organic frameworks for the exploit of distance between active sites in efficient photocatalysis, Angew. Chemie Int. Ed. (2020), https://doi.org/10.1002/ anie.201915537. otwiera się w nowej karcie
- K. Shirai, G. Fazio, T. Sugimoto, D. Selli, L. Ferraro, K. Watanabe, M. Haruta, B. Ohtani, H. Kurata, C. Di Valentin, Y. Matsumoto, Water-assisted hole trapping at the highly curved surface of nano-TiO2 photocatalyst, J. Am. Chem. Soc. 140 (2018) 1415-1422, https://doi.org/10.1021/jacs.7b11061. otwiera się w nowej karcie
- M.F. Kuehnel, C.E. Creissen, C.D. Sahm, D. Wielend, A. Schlosser, K.L. Orchard, E. Reisner, ZnSe nanorods as visible-light absorbers for photocatalytic and photoelectrochemical H2 evolution in water, Angew. Chemie Int. Ed. 58 (2019) 5059-5063, https://doi.org/10.1002/anie.201814265. otwiera się w nowej karcie
- S. Banerjee, S.C. Pillai, P. Falaras, K.E. O'Shea, J.A. Byrne, D.D. Dionysiou, New insights into the mechanism of visible light photocatalysis, J. Phys. Chem. Lett. 5 (2014) 2543-2554, https://doi.org/10.1021/jz501030x. otwiera się w nowej karcie
- S.G. Kumar, L.G. Devi, Review on modified TiO2 photocatalysis under UV/ visible light: selected results and related mechanisms on interfacial charge carrier transfer dynamics, J. Phys. Chem. A 115 (2011) 13211-13241, https:// doi.org/10.1021/jp204364a. otwiera się w nowej karcie
- X. Yang, D. Wang, Photocatalysis: from fundamental principles to materials and applications, ACS Appl. Energy Mater. 1 (2018) 6657-6693, https://doi. org/10.1021/acsaem.8b01345. otwiera się w nowej karcie
- R. Asahi, T. Morikawa, H. Irie, T. Ohwaki, Nitrogen-doped titanium dioxide as visible-light-sensitive photocatalyst: designs, developments, and prospects, Chem. Rev. 114 (2014) 9824-9852, https://doi.org/10.1021/cr5000738. otwiera się w nowej karcie
- X. Chen, S.S. Mao, Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications, Chem. Rev. 107 (2007) 2891-2959, https:// doi.org/10.1021/cr0500535. otwiera się w nowej karcie
- R. Daghrir, P. Drogui, D. Robert, Modified TiO2 for environmental photocatalytic applications: a review, Ind. Eng. Chem. Res. 52 (2013) 3581-3599, https://doi.org/10.1021/ie303468t. otwiera się w nowej karcie
- A. Mikolajczyk, A. Gajewicz, E. Mulkiewicz, B. Rasulev, M. Marchelek, M. Diak, S. Hirano, A. Zaleska-Medynska, T. Puzyn, Nano-QSAR modeling for ecosafe design of heterogeneous TiO2 -based nano-photocatalysts, Environ. Sci. Nano. 5 (2018) 1150-1160, https://doi.org/10.1039/C8EN00085A. otwiera się w nowej karcie
- A. Mikolajczyk, A. Malankowska, G. Nowaczyk, A. Gajewicz, S. Hirano, S. Jurga, A. Zaleska -Medynska, T. Puzyn, Combined experimental and computational approach to developing efficient photocatalysts based on Au/Pd-TiO2 nanoparticles, Environ. Sci. Nano 3 (2016) 1425-1435, https://doi.org/ 10.1039/C6EN00232C. otwiera się w nowej karcie
- A. Krukowska, M.J. Winiarski, J. Strychalska-Nowak, T. Klimczuk, W. Lisowski, A. Mikolajczyk, H.P. Pinto, T. Puzyn, T. Grzyb, A. Zaleska-Medynska, Rare earth ions doped K2Ta2O6 photocatalysts with enhanced UV-vis light activity, Appl. Catal. B Environ. 224 (2018) 451-468, https://doi.org/10.1016/j. apcatb.2017.10.061. otwiera się w nowej karcie
- A. Cybula, J.B. Priebe, M.-M. Pohl, J.W. Sobczak, M. Schneider, A. Zielin´ skaJurek, A. Brückner, A. Zaleska, The effect of calcination temperature on structure and photocatalytic properties of Au/Pd nanoparticles supported on TiO2, Appl. Catal. B Environ. 152-153 (2014) 202-211, https://doi.org/ 10.1016/j.apcatb.2014.01.042. otwiera się w nowej karcie
- J. Luczak, M. Paszkiewicz, A. Krukowska, A. Malankowska, A. ZaleskaMedynska, Ionic liquids for nano-and microstructures preparation. Part 1: Properties and multifunctional role, Adv Colloid Interface Sci. 230 (2016) 13-28, https://doi.org/10.1016/j.cis.2015.08.006. otwiera się w nowej karcie
- J. Luczak, M. Paszkiewicz, A. Krukowska, A. Malankowska, A. ZaleskaMedynska, Ionic liquids for nano-and microstructures preparation. Part 2: Application in synthesis, Adv Colloid Interface Sci. 227 (2016) 1-52, https:// doi.org/10.1016/j.cis.2015.08.010. otwiera się w nowej karcie
- P.A. Hunt, B. Kirchner, T. Welton, Characterising the electronic structure of ionic liquids: an examination of the 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ion pair, Chemistry (Easton) 12 (2006) 6762-6775, https://doi.org/10.1002/ chem.200600103. otwiera się w nowej karcie
- H. Weingartner, Understanding ionic liquids at the molecular level: facts, problems, and controversies, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 47 (2008) 654-670, https://doi.org/10.1002/anie.200604951. otwiera się w nowej karcie
- J. Łuczak, M. Paszkiewicz-Gawron, M. Długoke˛cka, W. Lisowski, E. Grabowska, S. Makurat, J. Rak, A. Zaleska-Medynska, Visible-light photocatalytic activity of ionic liquid TiO2 spheres: effect of the ionic liquid's anion structure, ChemCatChem 9 (2017) 4377-4388, https://doi.org/10.1002/cctc.201700861. otwiera się w nowej karcie
- M. Paszkiewicz-Gawron, M. Długokȩcka, W. Lisowski, M.C. Paganini, E. Giamello, T. Klimczuk, M. Paszkiewicz, E. Grabowska, A. Zaleska-Medynska, J. Luczak, Dependence between ionic liquid structure and mechanism of visible-light-induced activity of TiO2 obtained by ionic-liquid-assisted solvothermal synthesis, ACS Sustain. Chem. Eng. 6 (2018) 3927-3937, https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b04291. otwiera się w nowej karcie
- M. Paszkiewicz, J. Łuczak, W. Lisowski, P. Patyk, A. Zaleska-Medynska, The ILsassisted solvothermal synthesis of TiO2 spheres: The effect of ionic liquids on morphology and photoactivity of TiO2, Appl. Catal. B Environ. 184 (2016) 223-237, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.11.019. otwiera się w nowej karcie
- M. Paszkiewicz-Gawron, A. Gołąbiewska, A. Pancielejko, W. Lisowski, J. Zwara, M. Paszkiewicz, A. Zaleska-Medynska, J. Łuczak, Impact of tetrazolium ionic liquid thermal decomposition in solvothermal reaction on the remarkable photocatalytic properties of TiO2 particles, Na nomaterials 9 (2019) 744, https://doi.org/10.3390/nano9050744. otwiera się w nowej karcie
- A. Gołąbiewska, M. Paszkiewicz-Gawron, A. Sadzin´ ska, W. Lisowski, E. Grabowska, A. Zaleska-Medynska, J. Łuczak, Fabrication and photoactivity of ionic liquid-TiO2 structures for efficient visible-light-induced photocatalytic decomposition of organic pollutants in aqueous phase, Beilstein J. Nanotechnol. 9 (2018) 580-590, https://doi.org/10.3762/bjnano.9.54. otwiera się w nowej karcie
- A. Gołąbiewska, M. Checa-Suárez, M. Paszkiewicz-Gawron, W. Lisowski, E. Raczuk, T. Klimczuk, Z. Polkowska, E. Grabowska, A. Zaleska -Medynska, J._ Łuczak, Highly active TiO2 microspheres formation in the presence of ethylammonium nitrate ionic liquid, Catalysts 8 (2018) 279, https://doi.org/ 10.3390/catal8070279. otwiera się w nowej karcie
- C. Creutz, B.S. Brunschwig, N. Sutin, Interfacial charge-transfer absorption: semiclassical treatment, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 10251-10260, https://doi.org/10.1021/jp050259+. otwiera się w nowej karcie
- C. Creutz, B.S. Brunschwig, N. Sutin, Interfacial charge transfer absorption: Application to metal-molecule assemblies, Chem. Phys. 324 (2006) 244-258, https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2005.12.015. otwiera się w nowej karcie
- C. Creutz, B.S. Brunschwig, N. Sutin, Interfacial charge-transfer absorption: 3. Application to semiconductor molecule assemblies, J. Phys. Chem. B. 110 (2006) 25181-25190, https://doi.org/10.1021/jp063953d. otwiera się w nowej karcie
- A. Mauri, V. Consonni, M. Pavan, R. Todeschini, DRAGON software: an easy approach to molecular descriptor, Commun. Math. Comput. Chem. (2006) 237- 248 (accessed March 13, 2019). otwiera się w nowej karcie
- C.W. Yap, PaDEL-descriptor: An open source software to calculate molecular descriptors and fingerprints, J. Comput. Chem. 32 (2011) 1466-1474, https:// doi.org/10.1002/jcc.21707. otwiera się w nowej karcie
- J. Miller, J.C. Miller, Statistics and Chemometrics for Analytical Chemistry, 7th ed., Pearson Education Limited, 2018. otwiera się w nowej karcie
- J.H. Ward, Hierarchical grouping to optimize an objective function, J. Am. Stat. Assoc. 58 (1963) 236-244, https://doi.org/10.1080/ 01621459.1963.10500845. otwiera się w nowej karcie
- K. Odziomek, A. Rybinska, T. Puzyn, Unsupervised learning methods and similarity analysis in chemoinformatics, in: J. Leszczynski (Ed.), Handb. Comput. Chem., Springer International Publishing, Cham, 2017, pp. 2095-2132, https://doi.org/10.1007/978-3-319-27282-5_53. otwiera się w nowej karcie
- A.C.D. Inc., Advanced Chemistry Development Inc., ACD/ChemSketch, 2010. www.acdlabs.com (accessed April 17, 2014).
- J. Gasteiger (Ed.), Handbook of Chemoinformatics, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, 2003, https://doi.org/10.1002/ 9783527618279. otwiera się w nowej karcie
- A. Steffen, T. Kogej, C. Tyrchan, O. Engkvist, Comparison of molecular fingerprint methods on the basis of biological profile data, J. Chem. Inf. Model. 49 (2009) 338-347, https://doi.org/10.1021/ci800326z. otwiera się w nowej karcie
- K. Rataj, W. Czarnecki, S. Podlewska, A. Pocha, A. Bojarski, Substructural connectivity fingerprint and extreme entropy machines-a new method of compound representation and analysis, Molecules 23 (2018) 1242, https://doi. org/10.3390/molecules23061242. otwiera się w nowej karcie
- R. Wehrens, Chemometrics with R, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2011. 10.1007/978-3-642-17841-2. otwiera się w nowej karcie
- R.G. Brereton, Chemometrics for Pattern Recognition, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK, 2009. 10.1002/9780470746462. otwiera się w nowej karcie
- Y. Xu, F. Gong, S.J. Dixon, R.G. Brereton, H.A. Soini, M.V. Novotny, E. Oberzaucher, K. Grammer, D.J. Penn, Application of di ssimilarity indices, principal coordinates analysis, and rank tests to peak tables in metabolomics of the gas chromatography/mass spectrometry of human sweat, Anal. Chem. 79 (2007) 5633-5641, https://doi.org/10.1021/ac070134w. otwiera się w nowej karcie
- R Development Core Team, R: A Language and Environment for Statistical Computing 1 (2016) 409. 10.1007/978-3-540-74686-7. otwiera się w nowej karcie
- K. Roy, S. Kar, R.N. Das, Understanding the Basics of QSAR for Applications in Pharmaceutical Sciences and Risk Assessment, Elsevier Academic Press, Amsterdam, Boston, 2015. otwiera się w nowej karcie
- A. Gajewicz, T. Puzyn, K. Odziomek, P. Urbaszek, A. Haase, C. Riebeling, A. Luch, M.A. Irfan, R. Landsiedel, M. van der Zande, H. Bouwmeester, Decision tree models to classify nanomaterials according to the DF4 nano grouping scheme, Nanotoxicology 12 (2018) 1-17, https://doi.org/10.1080/17435390. 2017.1415388. otwiera się w nowej karcie
- OECD, OECD principles for the validation, for regulatory purposes, of Quantitative Structure-Activity Relationship models, in: Paris, 2004. http:// www.oecd.org/chemicalsafety/risk-assessment/37849783.pdf (accessed April 18, 2014). otwiera się w nowej karcie
- E. Maria Siedlecka, M. Czerwicka, S. Stolte, P. Stepnowski, Stability of ionic liquids in application conditions, Curr. Org. Chem. 15 (2011) 1974-1991, https://doi.org/10.2174/138527211795703630. otwiera się w nowej karcie
- H. Tokuda, K. Ishii, A. Bin, H. Susan, S. Tsuzuki, K. Hayamizu, M. Watanabe, M.A. B.H. Susan, S. Tsuzuki, K. Hayamizu, M. Watanabe, Physicochemical properties and structures of room-temperature ionic liquids. 3. Variation of cationic structures, J. Phys. Chem. B 110 (2006) 2833-2839, https://doi.org/10.1021/ jp053396f. otwiera się w nowej karcie
- J.M. Crosthwaite, M.J. Muldoon, J.K. Dixon, J.L. Anderson, J.F. Brennecke, Phase transition and decomposition temperatures, heat capacities and viscosities of pyridinium ionic liquids, J. Chem. Thermodyn. 37 (2005) 559-568, https://doi. org/10.1016/j.jct.2005.03.013. otwiera się w nowej karcie
- M.C. Kroon, W. Buijs, C.J. Peters, G.-J. Witkamp, Quantum chemical aided prediction of the thermal decomposition mechanisms and temperatures of ionic liquids, Thermochim. Acta 465 (2007) 40-47, https://doi.org/10.1016/j. tca.2007.09.003. otwiera się w nowej karcie
- H. Ohtani, S. Ishimura, M. Kumai, Thermal decomposition behaviors of imidazolium-type ionic liquids studied by pyrolysis-gas chromatography, Anal. Sci. 24 (2008) 1335-1340. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ 18845896. otwiera się w nowej karcie
- J.G. Huddleston, A.E. Visser, W.M. Reichert, H.D. Willauer, G.A. Broker, R.D. Rogers, Characterization and comparison of hydrophilic and hydrophobic room temperature ionic liquids incorporating the imidazolium cation, Green Chem. 3 (2001) 156-164, https://doi.org/10.1039/b103275p. otwiera się w nowej karcie
- M. Williams, The Merck index: an encyclopedia of chemicals, drugs, and biologicals, Drug Dev. Res. 67 (2006), https://doi.org/10.1002/ddr.20159. 870-870. otwiera się w nowej karcie
- Y. Cao, T. Mu, Comprehensive investigation on the thermal stability of 66 ionic liquids by thermogravimetric analysis, Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) 8651- 8664, https://doi.org/10.1021/ie5009597. otwiera się w nowej karcie
- M. Montanino, M. Carewska, F. Alessandrini, S. Passerini, G.B. Appetecchi, The role of the cation aliphatic side chain length in piperidinium bis (trifluoromethansulfonyl)imide ionic liquids, Electrochim. Acta 57 (2011) 153-159, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.089. otwiera się w nowej karcie
- J. Huang, C. Qin, S. Lei, J. Li, M. Li, J. Zhong, T. Wang, Ionic liquid assisted hydrothermal preparation of TiO2 with largel y enhanced photocatalytic performance originated from effective separation of photoinduced carriers, J. Phys. Chem. Solids 139 (2020) 109323, https://doi.org/10.1016/j. jpcs.2019.109323. otwiera się w nowej karcie
- T.N. Ravishankar, M. do O. Vaz, T. Ramakrishnappa, S.R. Teixeira, J. Dupont, Ionic liquid-assisted hydrothermal synthesis of Nb/TiO2 nanocomposites for efficient photocatalytic hydrogen production and photodecolorization of Rhodamine B under UV-visible and visible light illuminations, Mater. Today Chem. 12 (2019) 373-385, https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2019.04.001. otwiera się w nowej karcie
- K. Manjunath, L.S. Reddy Yadav, T. Jayalakshmi, V. Reddy, H. Rajanaika, G. Nagaraju, Ionic liquid assisted hydrothermal synthesis of TiO2 nanoparticles: photocatalytic and antibacterial activity, J. Mater. Res. Technol. 7 (2018) 7-13, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2017.02.001. otwiera się w nowej karcie
- L. Qi, J. Yu, M. Jaroniec, Enhanced and suppressed effects of ionic liquid on the photocatalytic activity of TiO2, Adsorption 19 (2013) 557-561, https://doi.org/ 10.1007/s10450-013-9478-7. otwiera się w nowej karcie
- Źródła finansowania:
- Weryfikacja:
- Politechnika Gdańska
wyświetlono 111 razy
Publikacje, które mogą cię zainteresować
Impact of Tetrazolium Ionic Liquid Thermal Decomposition in Solvothermal Reaction on the Remarkable Photocatalytic Properties of TiO2 Particles
- M. Paszkiewicz-Gawron,
- A. Gołąbiewska,
- A. Pancielejko
- + 5 autorów
Morphology, surface properties and photocatalytic activity of the bismuth oxyhalides semiconductors prepared by ionic liquid assisted solvothermal method
- A. Bielicka-Gieldon,
- P. Wilczewska,
- A. Malankowska
- + 4 autorów
The ILs-assisted solvothermal synthesis of TiO2 spheres: the effect of ionic liquids on morphology and photoactivity of TiO2
- M. Paszkiewicz,
- J. Łuczak,
- W. Lisowski
- + 2 autorów
Dependence between Ionic Liquid Structure and Mechanism of Visible-Light-Induced Activity of TiO2 Obtained by Ionic-Liquid-Assisted Solvothermal Synthesis
- M. Paszkiewicz-Gawron,
- M. Długokęcka,
- W. Lisowski
- + 7 autorów