Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

In-situ модифицирование наноструктурированного гидроксиапатита наночастицами CdS

Н.С. Кожевникова1, Е.А. Богданова2, В.М. Скачков1, И.В. Бакланова1, А.П. Тютюнник1, Л.Ю. Булдакова1, М.Ю. Янченко1

1 ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
2 АО «Гиредмет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.851

Оригинальная статья

Аннотация: В статье обсуждается возможность получения функциональных композиционных материалов, обладающих выраженными фотокаталитическими свойствами. Разработан гибридный композиционный материал путем in-situ модифицирования наноструктурированного гидроксиапатита, полученного осаждением из раствора, частицами сульфида кадмия. Исходные компоненты и синтезированные образцы были аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа: рентгенофазовый анализ, энергодисперсионный рентгеновский анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, сканирующая электронная микроскопия, метод Брунауэра-Эммета-Теллера. Исследованы функциональные характеристики разработанных композиционных материалов на основе гидроксиапатита и сульфида кадмия, в частности, фотокаталитическая активность под действием ультрафиолетового или видимого излучения. Эффективность использования разработанного композиционного материала в качестве фотокатализатора оценивали по скорости окисления n-дигидроксибензола (гидрохинона). На основании полученных экспериментальных данных рассчитаны значения констант скорости реакции фотокаталитического окисления гидрохинона и времени его полупревращения при различных условиях. Доказано, что разработанный композиционный материал на основе наноразмерных сульфида кадмия и гидроксиапатита, обладает выраженными каталитическими свойствами и является перспективным материалом для использования в качестве фотокатализатора. На разработанный композиционный материал подана заявка на патент.

Ключевые слова: сульфид кадмия, химическая конденсация из водных растворов, гидроксиапатит, композиционный материал, гидрохинон, фотокатализ

  • Кожевникова Наталья Сергеевна – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории нестехиометрических соединений, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
  • Богданова Екатерина Анатольевна – к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств для водородной энергетики, АО «Гиредмет»
  • Скачков Владимир Михайлович – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
  • Бакланова Инна Викторовна – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. А.Л. Ивановского, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
  • Тютюнник Александр Петрович – к.х.н., заведующий лабораторией структурного и фазового анализа, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
  • Булдакова Лариса Юрьевна – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»
  • Янченко Михаил Юрьевич – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа, ФГБУН «Институт химии твердого тела УрО РАН»

Ссылка для цитирования:

Кожевникова, Н.С. In-situ модифицирование наноструктурированного гидроксиапатита наночастицами CdS / Н.С. Кожевникова, Е.А. Богданова, В.М. Скачков, И.В. Бакланова, А.П. Тютюнник, Л.Ю. Булдакова, М.Ю. Янченко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 851-864. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.851. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Пармон, В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии // В кн.: Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии / под ред. К.И. Замараева, В.Н. Пармона. – Новосибирск: Наука, 1991. С. 7-17.
2. Yepseu, A.P. Hot injection synthesis of CuS decorated CdS and ZnS nanomaterials from metal thiosemicarbazone complexes as single source precursors: Application in the photocatalytic degradation of methylene blue / A.P. Yepseu, L.E.T Ngoudjou, G.A. Tigwere et al. // Inorganic Chemistry Communications. – 2024. – V. 166. – Art. № 112650. – 10 p. DOI: 10.1016/j.inoche.2024.112650.
3. Alrababah, Y.M. Wurtzite CdS ratio tunability on α-Fe2O3/CdS synergistic heterostructure for enhanced UV-induced photocatalytic decomposition of rhodamine 6G dye pollutant / Y.M. Alrababah, C.K. Sheng // Alexandria Engineering Journal. – 2024. – V. 100. – P. 300-311. DOI: 10.1016/j.aej.2024.05.050.
4. Raju, A.G. Fabrication of a heterostructure composite with CuO and FeS2 as efficient photocatalyst for decolourisation of brilliant green / A.G. Raju, B.D. Rao, G. Himabindu, S.M. Botsa // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – V. 17. – P. 2648-2656. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.01.166.
5. Zgura, I. Cytotoxicity, antioxidant, antibacterial, and photocatalytic activities of ZnO–CdS powders / I. Zgura, N. Preda, M. Enculescu et al. // Materials. – 2020. – V. 13. – I. 1. – Art. № 182. – 17 p. DOI: 10.3390/ma13010182.
6. Pouretedal, H.R. Characterization and photocatalytic activity of ZnO, ZnS, ZnO/ZnS, CdO, CdS and CdO/CdS nanoparticles in mesoporous SBA-15 / H.R. Pouretedal, S. Basati // Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. – 2015. – V. 34. – I. 1. – P. 11-19. DOI: 10.30492/ijcce.2015.12617.
7. Aziz, N.A.B. Impact of CuO loading for enhanced photocatalytic performance of CdS/CuO photocatalyst on rhodamine 6G dye decomposition under ultraviolet irradiation / N.A.B. Aziz, C.K. Sheng // Materials Letters. – 2023. – V. 47. – Art. № 134589. – 4 p. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134589.
8. Khan, M.D. Designing of visible light active composites of CuS and ZnO for improved photocatalytic performance under solar light irradiation / M.D. Khan, M.H. Farooq, F. Iqra, A. Zulfiqar, M. Rizwan // Optik. – 2022. – V. 271. – Art. № 170147. – 9 p. DOI: 10.1016/j.ijleo.2022.170147.
9. Weldegebrieal, G.K. Photocatalytic activity of biosynthesized α-Fe2O3 nanoparticles for the degradation of methylene blue and methyl orange dyes / G.K. Weldegebrieal, A.K. Sibhatu // Optik. – 2021. – V. 241. – Art. № 167226. – 15 p. DOI: 10.1016/j.ijleo.2021.167226.
10. Huang, W. Characterization of structural, optical and photocatalytic properties of yttrium modified hematite (α-Fe2O3) nanocatalyst / W. Huang, X. Lu, D. Jia et al. // Ceramics International. – 2023. – V. 49. – I. 15. – P. 25602-25611. DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.05.101.
11. Yan, T. Self-sacrificing template synthesis of CdS quantum dots/Cd-Hap composite photocatalysts for excellent H2 production under visible light / T. Yan, N. Li, Z. Jiang et al // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43. – I. 45. – P. 20616-20626. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.093.
12. Singh, H. Formation of magnetite-based ceramic materials and their photocatalytic applications / H. Singh, A. Bokare, A. Kumar et al. // In book: Advanced ceramics for versatile interdisciplinary applications (Elsevier Series on Advanced Ceramic Materials). – 2022. – Chapter 6. – P. 115-146. DOI: 10.1016/B978-0-323-89952-9.00016-6.
13. Liu, Y. Metal or metal-containing nanoparticle@MOF nanocomposites as a promising type of photocatalyst / Y. Liu, Z. Liu, D. Huang et al. // Coordination Chemistry Reviews. – 2019. – V. 388. – P. 63-78. DOI: 10.1016/j.ccr.2019.02.031.
14. Zhu, K. Hydrothermal synthesis and morphology variation of cadmium hydroxyapatite / K. Zhu, K. Yanagisawa, A. Onda, K. Kajiyoshi // Journal of Solid State Chemistry. – 2004. – V. 177. – I. 12. – P. 4379-4385. DOI: 10.1016/j.jssc.2004.09.025.
15. Kozhevnikova, N.S. Cadmium sulfide nanoparticles prepared by chemical bath deposition / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Uritskaya // Russian Chemical Reviews. – 2015. – V. 84. – I. 3. – P. 225-250. DOI: 10.1070/rcr4452.
16. Vorokh, A.S. Mechanism of the formation of photosensitive nanostructured TiO2 with low content CdS nanoparticles / A.S. Vorokh, N.S. Kozhevnikova, I.V. Baklanova et al. // Doklady Physical Chemistry. – 2016. – V. 467. – I. 2. – P. 56-59. DOI: 10.1134/S0012501616040059.
17. Nishikawa, H. Photocatalytic activity of hydroxyapatite for methyl mercaptane / H. Nishikawa, K. Omamiuda // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2002. – V. 179. – I. 1–2. – P. 193-200. DOI: 10.1016/S1381-1169(01)00325-9.
18. Velisoju, V.K. Selective hydrogenation and dehydrogenation using hydroxyapatite-based catalysts / V.K. Velisoju, H.P. Aytam, V. Akula // In book: Design and applications of hydroxyapatite-based catalysts. Weinheim: Wiley-VCH, 2022. – Chapter 7. – P. 241-268. DOI: 10.1002/9783527830190.ch7.
19. Nasr-Esfahani, M. Alumina/TiO2/hydroxyapatite interface nanostructure composite filters as efficient photocatalysts for the purification of air / M. Nasr-Esfahani, S. Fekri // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. – 2012. – V. 107. – I. 1. – P. 89-103. DOI: 10.1007/s11144-012-0457-x.
20. Navarro-Jaén, S. Evaluation of the oxygen mobility in CePO4-supported catalysts: mechanistic implications on the water–gas shift reaction / S. Navarro-Jaén, L.F. Bobadilla, F. Romero-Sarria et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2020. – V. 124. – I. 30. – P. 16391-16401. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c03649.
21. Tawfik, A. Graphene/hydroxyapatite nano-composite for enhancement of hydrogen productivity from delignified duckweed / A. Tawfik, X. Tan, M. Elsamadony et al. // Fuel. – 2022. – V. 330. – Art. № 125537. – 12 p. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.125537.
22. Trung, T.S. Valorization of fish and shrimp wastes to nano-hydroxyapatite/chitosan biocomposite for wastewater treatment / T.S. Trung, N.C. Minh, H.N. Cuong et al. // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. – 2022. – V. 7. – I. 4. – Art. № 100485. – 9 p. DOI: 10.1016/j.jsamd.2022.100485.
23. Hossain, Md.S. Exploration of photo-catalytic activity of nano-hydroxyapatite based on the crystallographic parameters: Estimation of crystallite size using X-ray diffraction data/ Md. S. Hossain, S. Sarkar, S. Tarannum et al. // Journal of Saudi Chemical Society. – 2023. – V. 27 – I. 6. – Art. № 101769. – 13 p. DOI: 10.1016/j.jscs.2023.101769.
24 Piccirillo, C. Calcium hydroxyapatite-based photocatalysts for environment remediation: characteristics, performances and future perspectives / C. Piccirillo, P.M.L. Castro // Journal of Environmental Management. – 2017. – V. 193. – P. 79-91. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.01.071.
25. Sahoo, S.K. Organic-inorganic hybrid hydroquinone bridged V-CdS/HAP/Pd-TCPP: A novel visible light active photocatalyst for phenol degradation / S.K. Sahoo, A.A. Das, D. Deka, B. Naik, N.K. Sahoo // Journal of Molecular Liquids. – 2021. – V. 339. – Art. № 116721. – 12 p. DOI: 10.1016/j.molliq.2021.116721.
26. Xiaofang, L. Hollow hydroxyapatite microspheres modified by CdS nanoparticles for efficiently photocatalytic degradation of tetracycline / L. Xiaofang, X. Tianhong, Y. Weifeng, W. et al. // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. – 2020. – V. 106. – P. 148-158. DOI: 10.1016/j.jtice.2019.10.023.
27. Кожевникова. Н.С. Ex-situ модифицирование наноструктурированного ГАП коллоидными частицами CdS / Н.С. Кожевникова, Е.А. Богданова, В.М. Скачков и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 183-197. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.183.
28. Пат. 2838999 Российская Федерация, МПК AA61K33/24, A61L27/46, A61L27/54, A61L 27/56. Способ получения композиционного материала на основе гидроксиапатита, содержащего наночастицы сульфида кадмия / Богданова Е.А., Кожевникова Н.С., Скачков В.М.; заявитель и патентообладатель: ФГБУН ИХТТ УрО РАН. – № 2024126687, заявл. 11.09.2024; опубл. 24.04.2025 Бюл. № 12 – 9 с.
29. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. – № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. – 5 с.
30. Пат. 2652193 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии апатита / Богданова Е.А., Сабирзянов Н.А., Скачков В.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. – № 2017113484; заявл. 19.04.17; опубл. 25.04.18, Бюл. № 12. – 5 с.
31. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. – 2020. – V. 2. – I. 9. – Art. № 1565. – 7 p. DOI: 10.1007/s42452-020-03388-5.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒