[email protected]

download 10.1016@j.materresbull.2011.07.026

of 6

Transcript of [email protected]

  • 8/17/2019 [email protected]

    1/6

    Photocatalytic  activity of   undoped  and  Ag-doped  TiO2-supported  zeolite  for

    humic 

    acid 

    degradation and 

    mineralization

    C. Lazau a,1, C. Ratiu a,b,1, C. Orha a,1, R. Pode c, F. Manea c,*aNational  Institute   for   Research  and  Development   in  Electrochemistry  and  Condensed  Matter,  Timisoara,  Condensed  Matter   Department,  P.   Andronescu  no.1,

     300254  Timisoara,  RomaniabNational  Institute   for   Research  and  Development   in  Microtechnologies,  Erou   Iancu  Nicolae  Street,  077190  Bucharest,  Romaniac ‘‘Politehnica’’   University  of   Timisoara,  P-ta  Victoriei  no.2,   300006   Timisoara,  Romania

    1.  Introduction

    Photocatalysts  based  on  TiO2 have  been  intensively  investigat-

    ed  in  order   to  achieve  better  photocatalytic  efficiency  for  different

    applications  such  as  decomposition  of   various  organic  pollutants

    from   water  and  air.  Recently,  studies  on  the  doping  of   transition

    metal  and  non-metal  ions  into  TiO2 and  the  immobilization  of   TiO2on  supports  have  become  attractive  in  the  area  of   photocatalysis

    [1–5].  Various  substrates  have  been  used  as  a  catalyst  support  for

    the  photocatalytic  degradation  of   polluted water,  such  as  glass  and

    stainless  steel  [6],  alumina  beds   [7,8],  activated  carbons  [9,10],

    MCM-41   [11–14]  and  zeolites  [5,11,15–19]. The  results  revealed

    that  supports  possess  good  pollutant  adsorption,  diffusion

    properties   and  absence  of   light  absorption,  which  exhibited  the

    enhancement  of   photocatalytic  activity  of   dispersed  TiO2 [20,21].

    Zeolites  have  been   chosen  as  support  since  they  can  delocalize

    band  gap  excited  electrons  of   TiO2 and  thereby minimize  electron-

    hole  recombination  [11].  In  addition,  the  ability  of   zeolites  favoring

    photoinduced  electron-transfer  reactions  and  retarding  undesired

    back  electron  transfer  has  been  reported  [11].  Supporting  TiO2 in

    zeolite  matrix  depends  on  several  factors,  such  as  location  and

    migration  of   cations,  strength  of   the  interactions  between  cations,

    and  guest  molecules  dimensions  of   cavities  and  channels.  The

    combination  of   the  two  properties   will  lead  to  distinct  and

    different  properties  as  compared   to  those  with  semiconductor

    alone.  The  functionalization  of   zeolite  with  TiO2 can   be  carried  out

    through  three ways,  namely  solid–solid,  solid–liquid  and  solid–gas

    reactions.  Solid-state  reactions  between  inorganic  species  have

    been  studied  [22,23], however,  to  the  best  of   our  knowledge,  no

    solid-state  reaction  in  hydrothermal  conditions  between  TiO2powders   with  natural  zeolite  has  been  studied.

    Recently,  numerous  applications  towards  the  synthesis  of 

    inorganic  materials  have  gained  greater  importance  [24]. Our

    previous  studies  also  reported  the  synthesis  of   supported  TiO2 on

    the  natural  zeolite  through  sol–gel,  hydrothermal  and  solid–solid

    methods  [25–27]. The  microwave  offers  several  advantages  over

    the  conventional  routes.  The  most  important  are  the  improvement

    of   reaction  yields  and  the  increase  in  reaction  rates.  Microwaves

    are also  used  in  synthesis  to  improve  the nanometer  size  fraction  of 

    particles  [28].  In  addition,  microwaves  save  energy  and  appear

    today   as  a  new  technology  for  the  development  of   the  green

    chemistry,  with  synthesis  methods   involving  preparation  proce-

    dures  based  on  solvent-free  or  reduced  amount  of   reactant  [26]. In

    the  late  1980s, microwave  heating was  introduced  to  the  synthesis

    of   zeolites.  Compared  with  conventional  heating  in  air  ovens,

    microwave heating  can  greatly  shorten  synthesis  time  and produce

    zeolites  with  high  purity  and  narrow  particle  size  distribution

    Materials  Research   Bulletin  46  (2011)  1916–1921

    A  R   T  I  C  L   E  I  N  F   O

     Article history:

    Received   7  March  2011

    Received in revised form 18 June 2011

    Accepted   14   July  2011

    Available online 23 July 2011

    Keywords:

    A.  Microporous   materials

    A.  Nanostructures

    B.  Sol–gel   chemistry

    C.  X-ray   diffraction

    D.  Catalytic  properties

    A  B  S  T  R   A  C  T

    Thehybridmaterialsbased onnatural zeolite andundoped and Ag-dopedTiO2, i.e., Z-Na-TiO2 andZ-Na-

    TiO2-Ag, were successfully synthesized by solid-state reaction in microwave-assisted hydrothermal

    conditions. Undoped TiO2  and Ag-doped TiO2   nanocrystals were previously synthesized by sol–gel

    method. The surface characterization of undoped TiO2/Ag-doped TiO2   and natural zeolite hybrid

    materials has been investigated by X-ray diffraction, DRUV-VIS spectroscopy, FT-IR spectroscopy, BET

    analysis, SEM microscopy and EDX analysis. The results indicated that anatase TiO2   is the dominant

    crystalline type as spherical form onto zeolitic matrix. The presence of Ag into Z-Na-TiO2-Ag was

    confirmed by EDX analysis. The DRUV-VIS spectra showed that Z-Na-TiO2-Ag exhibited absorption

    within the range of 400–500 nm in comparison with Z-Na-TiO2 catalyst. The enhanced photocatalytic

    activity of Z-Na-TiO2-Ag catalyst is proved through the degradation and mineralization of humic acid

    under ultraviolet and visible irradiation.

      2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    *  Corresponding   author.   Tel.:  +40  256  403069;   fax:  +40  256  403069.

    E-mail  address:  [email protected]  (F.  Manea).1 Tel:  +40  256  494413,   Fax:   +40  256  204693.

    Contents 

    lists 

    available 

    at 

    ScienceDirect

    Materials Research Bulletin

    jo u  rn al  h omep a ge : ww w.els  evier .co  m/loc  ate /matresb  u

    0025-5408/$   –  see  front  matter    2011  Elsevier  Ltd.  All  rights  reserved.

    doi:10.1016/j.materresbull.2011.07.026

    http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026mailto:[email protected]:[email protected]://www.sciencedirect.com/science/journal/00255408http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026http://www.sciencedirect.com/science/journal/00255408mailto:[email protected]://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.07.026

  • 8/17/2019 [email protected]

    2/6

    [29,30].  These  advantages reveal it  as   a  promising  way   to

    prepare   high-quality zeolite  membranes   in  a  short time.  Koegler

    and coworkers  [31]  reported that  the microwave  heating is  very

    effectively to  study synthesis  parameters of   zeolite   by showing

    in  relation with  dependence of   temperature profile of   the

    synthesis mixture on  the  conventional and microwave  heating.

    Other researchers have successfully prepared a  film  of   NaA  and

    AlPO45 crystals   on  Al2O3   and gold  substrates,  respectively,

    using a  microwave heating  [32–34].  They found that  the

    microwave conditions  affect the  thickness and  the orientation

    of   zeolite   crystals. All these above-presented advantages  reclaim

    microwaves as  suitable for annealing.

    Humic  acid  (HA)   is  the  main  constituent  of   natural  organic

    matter   (NOM)  from   water  resources  responsible  for  water  colour

    and  odour,  and  it  is  considered  to  be  the  precursor  of   carcinogenic

    products   like  trihalomethanes  (THMs)   formed   during  water

    disinfection  using  chlorine.  Based  on  these  considerations,  the

    degradation  of   the  HA  prior  to  disinfection  step  for  drinking  water

    treatment  is  necessary.  The  effective  degradation  of   humic  acid

    from   water  by  photocatalytic  oxidation  based  on  TiO2 catalyst  has

    been  reported  [35,36].

    In  the  present  study,  hybrid  materials  based  on  natural  zeolite

    modified   with  undoped  TiO2/Ag-doped  TiO2 were  synthesized  by

    solid-state  reaction  in  microwave-assisted  hydrothermal  condi-tions.  X-ray  diffraction,  FT-IR   spectroscopy,  DRUV-VIS  spectrosco-

    py, BET and  SEM/EDX  analysis were used  for  the  characterization  of 

    hybrid materials.  The  performances  of   the  photocatalytic  activities

    of   the  hybrid  materials  were  determined  comparatively  for  the

    degradation  of   humic  acid  from  water  by  photocatalysis  under  UV

    irradiation  at  wavelengths  of   254  nm  and  VIS  irradiation  at

    wavelengths  of   450  nm.  Also,  the  photocatalytic  activities  for  the

    humic  acid  mineralization  were  assessed.

    2. 

    Materials 

    and 

    methods

     2.1.  Chemicals

    Romanian  zeolitic  mineral  from   Mirsid,  used  as  support  fordoped  TiO2 loading,  was  supplied  by  Cemacon  Company,  Romania.

    The  mineral  was  powdered  and  sieved  with  a  Multilab  sieve

    shaker. 

    The 

    diameter 

    of  

    grains 

    size 

    selected 

    to 

    carry 

    out 

    the

    experiments 

    was 

    between 

    315 

    and 

    500 

    mm 

    with 

    the 

    mass

    composition  62.20%  SiO2,  11.65%  Al2O3,   1.30%  Fe2O3,  3.74%  CaO,

    0.67%  MgO,   3.30%  K2O,  0.72%  Na2O  and  0.28%  TiO2.

    Titanium 

    (IV) 

    isopropoxide 

    (TTIP, 

    98%), 

    silver 

    nitrate 

    (AgNO3),

    hydrochloric 

    acid 

    (HCl), 

    ethanol, 

    sodium 

    nitrate 

    (NaNO3)  and nitric

    acid  (HNO3)  were  purchased  from  ALDRICH  Company.

     2.2. 

    Preparation 

    of  

     photocatalyst 

    The  hybrid  materials  based  on  natural  zeolite  modified  with

    undoped 

    TiO2 and 

    Ag-doped 

    TiO2  nanocrystals 

    were 

    prepared 

    bysolid-state

     

    reaction 

    in 

    microwave-assisted 

    hydrothermal 

    condi-

    tions. 

    The 

    hybrid 

    materials 

    synthesis 

    are 

    performed 

    in 

    two 

    steps, 

    in

    the  first  one  the  undoped  and  doped  TiO2   nanocrystals  were

    synthesized  by  sol–gel  method  (1)  and  the  second  step  supposed

    the 

    hybrid 

    material 

    synthesis 

    by 

    solid-state 

    reaction 

    in 

    micro-

    wave-assisted 

    hydrothermal 

    conditions 

    (2).

    The  undoped  and  silver  doped  TiO2  (Ag-doped  TiO2)  nanocrys-

    tals  were  synthesized  by  sol–gel  method.  An  amount  of   ethanol

    was 

    stirred 

    with 

    mL  

    TTIP 

    and 

    after 

    10 

    min, 

    30 

    mL  

    of  

    distilled

    water 

    was 

    added 

    in 

    dropwise. 

    The 

    pH 

    of  

    the 

    initial 

    solution 

    was 

    5.5

    and  before  adding  the  doping   precursor  (AgNO3)  the  pH  was

    adjusted with HNO3.  The  solutions were  filtered, washed  and  dried

    to 

    60 

    8C 

    for 

    h. 

    For 

    crystallization 

    the 

    materials 

    were 

    annealed 

    into

    an 

    oven 

    at 

    the 

    temperature 

    range 

    between 

    300 

    and 

    600 

    8

    C for 

    h.

    The  preparation  of   the  chemically  modified  zeolite  presumes

    two  stages  to  reach  acid  form  (H  form)  by  using  2  M  HCl  solution

    and  sodium  form  (Na  form)  with  2  M  NaNO3  solution  for  a  more

    efficient  ion  exchange.  Consequently,  Na  forms  of   clinoptilolite  are

    expected  to  remove  other  cations  easily  in  ion-exchange  applica-

    tions.  For  that  reason,  Na  forms  are  the  forms   that  most   frequently

    prepared   for  research  in  clinoptilolite  literature  [37].  The  hybrid

    materials  based  on  natural  zeolite  and  undoped  and  doped  TiO2were  synthesized  by  solid-state  reaction  through  microwave-

    assisted  hydrothermal  method,  in  aqueous  solution.  The  micro-

    wave  synthesis  was  performed  in  a  microwave  reaction  system,

    Multiwave  3000,  produced  by  Anton  Paar   at  2.45  GHz  for  a

    continuous  power   of   1000  W.The  temperature  measurements  are

    recorded  with  an  IR   sensor  depending  on  autoclave  solution

    content.  Therefore,  an  amount  of   natural  zeolite  as  Na  form  was

    mixed  with  40  mL   distilled  water  and  undoped  TiO2/Ag-doped

    TiO2  nanocrystals  (2  wt%)  under  continuous  stirring  for  4  h.  The

    obtained  solutions  were   introduced  into  a  Teflon  autoclave  with  a

    50%  degree  of   fullness,  for  30  min  to  180  8C,  under  microwave

    radiations.  After  autoclaving,  the  hybrid  materials  (Z-Na-TiO2 and

    Z-Na-TiO2-Ag)  were washed with  distilled water  and  dried  at  60  8C

    for  5  h.

     2.3.  Characterization  of   hybrid  material

    The  crystallinity  of   the  prepared  samples  was  measured  by  X-

    Ray  diffraction  (XRD)  using  PANalytical  X’PertPRO  MPD  Difract-

    ometer   with  Cu  tube.  A  scanning  electron  microscopy  (SEM)  using

    Inspect  S  PANalytical  model   coupled  with  the  energy  dispersive  X-

    ray  analysis  detector  (EDX)   was  used  to  characterize  the  external

    surfaces  of   the  hybrid  materials,  using  catalyst  powder   supported

    on  carbon  tape.  The  specific  surface  areas  of   the  materials  were

    determined  by  BET  using  an  ASAP  2020  Micromeritics  system.  The

    light  absorption  properties  of   the  hybrid materials were  studied by

    UV–vis  diffuse  reflectance  spectroscopy  (DRUV-VIS),  performed

    under  ambient  conditions  using  Lambda   950  Perkin  Elmer  in  the

    wavelength 

    range 

    of  

    200–430 

    nm. 

    The 

    blank 

    board 

    was 

    used 

    as 

    the

    reference.  The  bond  vibration  of   modified  materials  was  analyzedby  Fourier  transform  infrared  spectrometry  (FT-IR)  using  a   JASCO

    FT/IR-430  spectrometer.

     2.4. 

    Photocatalytic  

    degradation 

     procedure 

    and 

    analytical 

    methods

    The  photocatalytic  activities  of   the  prepared   catalyst  hybrid

    materials 

    were 

    assessed 

    through 

    degradation 

    of  

    50 

    mg 

    L 1 humic

    acid 

    in 

    an 

    RS-1 

    photocatalytic 

    reactor 

    (Heraeus, 

    Germany). 

    The

    volume  of   the  reaction  solution  was  200  ml,  into  which  0.2  g  of 

    photocatalyst was  added.   UV  and VIS  irradiation was  provided  by  a

    medium-pressure 

    Hg 

    lamp 

    (300 

    W). 

    After 

    irradiation 

    time 

    of  

    h,

    the 

    suspension 

    was 

    sampled 

    and 

    filtered 

    through 

    0.2 

    mm

    membrane filter.  The  concentration  of  humic  acid was measured  in

    terms 

    of  

    absorbance 

    at 

    254 

    nm 

    ( A254) 

    and 

    436 

    nm 

    ( A436) 

    with 

    aCarry

     

    100 

    Varian 

    spectrophotometer. 

    Also, 

    the 

    mineralization

    degree 

    was 

    assessed 

    by 

    monitoring 

    total 

    organic 

    carbon 

    (TOC)

    parameter  using  Carbon  Multi  N/C  2100S  Analyzer,  Analytik   Jena.

    The  degradation  ratio  ( X ) of   the  reactant  can  be  calculated  as

     X (%) 

    100( A0  A)/ A0,  and  mineralization  ratio  was  determined

    used 

    the 

    same 

    relation 

    using 

    TOC 

    parameter 

    instead 

    of  

     A 

    value.

    3.  Results  and  discussion

     3.1. 

     XRD 

    analysis

    The  XRD  patterns  of   TiO2  nanocrystals  annealed  at  different

    temperatures 

    are 

    illustrated 

    in 

    Fig. 

    1. It 

    is 

    known 

    that 

    annealing

    improved 

    the 

    crystallization 

    of  

    TiO2  powders 

    and 

    accelerated 

    the

    C.  Lazau  et   al.  /  Materials  Research  Bulletin  46   (2011)  1916–1921  1917

  • 8/17/2019 [email protected]

    3/6

    transformation 

    from 

    amorphous 

    phase 

    to 

    anatase 

    or 

    rutile 

    phase. 

    It

    can 

    be 

    seen 

    that 

    for 

    temperature 

    of  

    300 

    8C 

    the 

    crystalline 

    phase 

    of 

    undoped  TiO2 nanocrystals  reveals  anatase  form  and  by  tempera-

    ture  increasing  at 400  8C  the  phase  transition  from   anatase  to  rutile

    occurred 

    (Fig. 

    1i). 

    At 

    600 

    8C the 

    anatase 

    phase 

    of  

    undoped 

    TiO2 is

    almost 

    disappeared 

    and 

    the 

    rutile 

    form 

    is 

    predominantly 

    (Fig. 

    1i).

    In  according  with  the  literature  [38,39], this  behavior  is  expected

    and  can  be  explained  by  the  effect  of   the  annealing  temperature  on

    the 

    anatase 

    phase, 

    which 

    become 

    metastable 

    at 

    higher 

    tempera-

    ture 

    and 

    it 

    is 

    converted 

    into 

    stable 

    rutile 

    phase. 

    The 

    Ag-doped 

    TiO2nanocrystals  exhibited  a  different  behavior  under  the  same

    annealing 

    temperature 

    rang. 

    The 

    pure 

    anatase 

    form 

    was 

    noticeduntil

     

    to 

    600 

    8C 

    temperature, 

    without 

    the 

    appearance 

    of  

    the 

    rutile

    form 

    (Fig. 

    1ii). 

    Based 

    on 

    the 

    literature 

    data 

    [40] 

    this 

    behavior 

    is 

    own

    to  the  fact  that  the  presence  of   Ag  ions  decreased  the  oxygen

    vacancy  concentration, which  inhibited  the  phase  transition  under

    the 

    studied 

    temperatures 

    range. 

    Thus, 

    the 

    diffraction 

    peaks 

    of 

    anatase 

    TiO2 corresponding  to  2u :  25.38, 378,  37.88,   38.68, 488, 548,

    558  [41]  and  of   rutile  phase  to  2u :  27.38, 35.98, 41.18, 54.18 were

    noticed  [42].  Crystallite  size  was  calculated  by  the  use  of   Scherrer

    formula 

    i.e., 

    kl / bcos 

    u . 

    The 

    average 

    particle 

    size 

    obtained 

    for

    anatase 

    from 

    XRD 

    data 

    for 

    undoped 

    and 

    doped 

    nanocrystals 

    were

    about  10  nm.

    Taking   into account  that  in general,the  anatase  form exhibited  an

    improved 

    photocatalytic 

    activity 

    in 

    comparison 

    with 

    rutile 

    form, 

    for

    the 

    further 

    experiments 

    regarding 

    obtaining 

    zeolite-based 

    hybrid

    materials   were   selected   the  TiO2  materials  crystallized   as  anataseform,   i.e.,   undoped   TiO2   annealed  300  8C and  Ag-doped  TiO2annealed   600  8C.  Anatase   TiO2   exhibits  higher   photocatalytic

    activity   than   rutile   TiO2 due   to  its  conduction   band   position   which

    demonstrates   stronger   reducing   power  [6].

    Fig. 2  described   XRD   patterns   of   hybrid  materials based on

    natural zeolite  and undoped/Ag-doped TiO2 nanocrystals, i.e.,   Z-

    Na-TiO2  and Z-Na-TiO2-Ag. For comparison, the XRD pattern of 

    the natural zeolite  in   Na form is  also  shown in  Fig. 2  (spectra a).

    The presented results  revealed  that   the natural zeolite used is

    mostly clinoptilolite  (2u :  108;   22.58; 308)  [25]. It  can be seen that

    the main peak  positions   of   natural zeolite (clinoptilolite) are

    unchanged,  indicating that  the   structure of   natural  zeolite  has a

    good 

    thermal stabilization, after the microwave-assisted hydro-

    thermal   treatment.   In   comparison   with   the  XRD pattern  of   thenatural zeolite  in   Na  form,   the specific  peaks   corresponding   to

    anatase TiO2   form recorded  at  2u :  25.38, 378  and  38.68  were

    noticed for both Z-Na-TiO2 and Z-Na-TiO2-Ag hybrid materials.

     3.2.  DRUV-VIS   spectroscopy

    DRUV-VIS 

    patterns 

    are 

    examined 

    to 

    determine 

    the 

    light

    absorption 

    quantification 

    and 

    absorption 

    wavelength 

    range 

    corre-

    lated  with   band   gap energy.  Fig.   3  presents   an  intense  absorption

    maximum  at  250  nm,  which  can  be  assigned   to  isolated   titanium

    with 

    tetrahedral 

    coordination. 

    Another 

    absorption 

    range 

    found 

    in

    the 

    range 

    of  

    300–370 

    nm 

    indicates 

    that 

    some 

    titanium 

    is 

    also 

    in 

    an

    octahedral   environment   [43].

    For 

    the 

    hybrid 

    material 

    modified 

    with 

    undoped 

    TiO2   theabsorption

     

    bands 

    intensity 

    is 

    higher 

    in 

    UV 

    domain, 

    because 

    the

    anatase 

    form 

    of  

    undoped 

    TiO2  with  the  band  gap  energy  about

    3.2  eV  strongly  adsorbs  in  this  domain   [44]. The  low  doping  degree

    with  Ag  of   the  hybrid  material  led  to  a  slight  shifting  of   the

    absorption 

    band 

    to 

    the 

    visible 

    range.

     3.3.  FT-IR  analysis

    Fig. 

    4i and 

    ii 

    show 

    FT-IR  

    spectra 

    obtained 

    for 

    the 

    hybrid

    materials 

    in 

    comparison 

    with 

    Na 

    form 

    of  

    the 

    zeolite. 

    The 

    bands 

    at

    3540  and  3360  cm1 have  been  attributed  to  the  symmetric  and

    antisymmetric  stretching  modes   of   molecular  water  coordinated

    to 

    the 

    magnesium 

    at 

    the 

    edges 

    of  

    the 

    channels. 

    The 

    presence 

    of 

    doped 

    TiO2   into 

    hybrid 

    materials 

    seems 

    to 

    affect 

    the 

    symmetric

    Fig.  1.  XRD  patterns  of   (i)  undoped   and  (ii)  Ag-doped   TiO2 nanocrystals  at  differentcalcination  temperatures   (*,  anatase;   *,  rutile).

    Fig.  2.  XRD  patterns  for  (a)  Z-Na,  (b)  Z-Na-TiO2  and   (c)  Z-Na-TiO2-Ag  (*,  anatase

    TiO2;  ^,  clinoptilolite).

    C. Lazau  et   al.  /  Materials  Research  Bulletin  46   (2011)  1916–19211918

  • 8/17/2019 [email protected]

    4/6

    stretching  modes  of   water  coordinated  to  the  magnesium  at  the

    edges  of   channels  (Fig.  4i).  The  band  at  1630–1640  cm1(Lewis

    sites)  region  is  assigned  to  the  zeolite  water  in  channels  of   thesamples.  The  shoulders  at  1350   cm1 noticed  for  the  hybrid

    materials  (Z-Na-TiO2   and  Z-Na-TiO2-Ag)   can  be  attributed  to

    stretching and  vibration  of   the  Ti-O-Ti   group,   indicating the

    formation of   the   inorganic  matrix [45]. For the hybrid materials

    synthesized by solid-state  reaction in  microwave-assisted

    hydrothermal conditions  the  corresponding   tetrahedral loadings

    bands from  450 to 900 cm1 are  not modified,  so the  zeolite

    network   is   not  affected (Fig. 4ii). FT-IR   results  clearly  showed  for

    hybrid materials  in   comparison with  Z-Na some  modifications

    specific   to  presence of   TiO2 bounded at  zeolite   within  absorption

    band  range   between 945 and 860cm1.  Thus, according  to Liu

    et  al.  [46]   the   absorption bands  at  920   and 860 cm1 are

    originated from the Ti-O  stretching  vibration   and  Ti-O-Ti  linkage

    vibration,   respectively   [47,48]. Also, the  absorption   band  range

    from945 to  905 cm1 corresponds   to the stretching vibration  of 

    Ti-O-Si   and  Ti-O-Al   [48].

     3.4.  Scanning   electron  microscopy  (SEM)  and  energy  dispersive  X-ray

    analysis  (EDX)  results

    The  SEM  images  (Fig.  5a–d)   present  the  lamellar  texture  of 

    clinoptilolite,  according  to  the  literature  data  [49]. The  TiO2particles  are  distributed  randomized  and  form   cluster  agglomerate

    groups  on  the  surface  and  in  site  of   zeolite  channels.  At  a  larger

    magnification  times  (mag.  12,000),  it  is  obvious  that  the  TiO2nanocrystals  (spherical  form)  are non-uniformly distributed  on  thezeolite  surface,  forming  the  porous   surface  (Fig.  5b  and  d).  EDX

    microprobe   provided  a  semiquantitative  elemental  analysis  of   the

    Fig.  3. DRUV-VIS   spectra  of  hybrid materials  (a)  Z-Na-TiO2,  (b)  Z-Na-TiO2-Ag  and  (c)

    Z-Na.

    Fig.  4.  (i)  FT-IR   spectra   of   (a)  Z-Na,   (b)  Z-Na-TiO2-Ag  and  (c)  Z-Na-TiO2 for  the wavelength   range   of   4000–400   cm1;  (ii)  FT-IR   spectra  of   (a)  Z-Na,   (b)  Z-Na-TiO2-Ag  and  (c)  Z-

    Na-TiO2 for 

    the 

    wavelength 

    range 

    of  

    1300–400 

    cm

    1

    .

    C.  Lazau  et   al.  /  Materials  Research  Bulletin  46   (2011)  1916–1921  1919

  • 8/17/2019 [email protected]

    5/6

    surface  indicating  that  Ti  and  Ag  were   present  on  the  zeolite

    surface. 

    Also, 

    this 

    natural 

    zeolite 

    contain 

    the 

    major 

    elements 

    such

    as 

    Na, 

    Si, 

    Al, 

    Ca, 

    and 

    Mg 

    as 

    can 

    be 

    seen 

    from 

    the 

    EDX 

    spectra 

    (Inset

    Fig.  5b  and  d).

    BET  surface  area   value  of   Z-Na-TiO2-Ag  is  found  to  be  higher

    (59.45 

    m2 g1) 

    compared 

    to 

    Z-Na-TiO2   (19.83  m2 g1)

     

    indicating

    the 

    more 

    porous 

    surface 

    with 

    the 

    possibility 

    of  

    application 

    for

    efficient  catalytic  material.

     3.5. 

    Photocatalytic  

    activity

    The  prepared   hybrid  materials,  Z-Na-TiO2   and  Z-Na-TiO2-Ag

    were   used  to  degrade  and  mineralize  humic  acid  under  ultraviolet

    and 

    visible 

    light 

    irradiation 

    for 

    h, 

    and 

    the 

    results 

    are 

    presented 

    in

    Fig. 

    6. A 

    slight 

    degradation 

    of  

    humic 

    acid 

    assessed 

    in 

    terms 

    of  

     A254and  A436 occurred  under  VIS  irradiation  (11%  for  A254 and  14%  A436)

    by photolysis process,  conducted under  the  similar  conditions with

    photocatalysis 

    in 

    the 

    absence 

    of  

    the 

    photocatalyst. 

    Applying

    photolysis 

    under 

    UV 

    irradiation 

    better 

    results 

    regarding 

    degrada-

    tion   degree  were  achieved  (27%  for  A254   and  41%  A436),  which

    informed  about  the  photo-sensitive  character  of   humic  acid,  much

    better 

    under 

    UV 

    than 

    VIS 

    irradiation. 

    However, 

    the 

    mineralization

    degrees 

    evaluated 

    in 

    terms 

    of  

    TOC 

    parameter 

    (8% 

    under 

    UV

    irradiation  and 5% under VIS  irradiation)  showed  a  negligible  effect

    to 

    evaluate 

    the 

    mineralization 

    activity 

    of  

    the 

    photocatalyst. 

    Under

    all 

    applied 

    irradiation 

    conditions, 

    the 

    best 

    results 

    were 

    reached 

    for

    the  degradation  of   humic  acid  expressed  by   A436 corresponding  to

    the  chromophore  groups  that  denoted  the  colour.  This  aspect  was

    an 

    expected 

    one 

    because 

    in 

    general, 

    during 

    the 

    photocatalytic

    process 

    the 

    chromophore 

    groups 

    are 

    most 

    susceptible 

    for

    breakage.  The  decrease  of    A254  informed  about  the  possibility  of 

    the 

    aromatic 

    ring 

    opening 

    during 

    degradation 

    process. 

    Fig. 

    showsthat

     

    humic 

    acid 

    can 

    be 

    mineralized 

    up 

    to 

    21% 

    under 

    VIS 

    irradiation

    and 

    32% 

    under 

    UV 

    irradiation 

    using 

    Z-Na-TiO2-Ag  in  comparison

    with  12%  under  VIS  irradiation  and  25%  under  UV  irradiation  using

    Z-Na-TiO2,  which  suggested  that  the  presence  of   silver  in  TiO2particles

     

    enhanced 

    the 

    mineralization 

    and 

    quite 

    degradation

    efficiency 

    of  

    humic 

    acid. 

    These 

    results 

    can 

    be 

    explained 

    by 

    silver

    acting  to  prevent  hole  and  electron  recombination  in  TiO2,  thus

    enhancing  the  photocatalytic  activity  [50]  both  under  UV  and

    especially 

    under 

    VIS 

    irradiation. 

    Also, 

    the 

    higher 

    specific 

    surface

    area 

    of  

    the 

    Z-Na-TiO2-Ag  should  improve  its  photocatalytic

    activity.  Nevertheless,  the  high  difference  between  the  degrada-

    tion  and  mineralization  efficiencies  were  noticed,  which  informed

    about 

    an 

    incomplete 

    degradation 

    of  

    humic 

    acid, 

    with 

    possible

    production 

    of  

    intermediates.

    Fig.  5.  SEM  morphology  for  Z-Na-TiO2-Ag  (a  and  b)  and  Z-Na-TiO2 (c   and  d).  Inset :  EDX  spectra   for  elemental   analysis  of   Z-Na-TiO2-Ag  (inset  (b))   and  Z-Na-TiO2 (inset  (d)).

    C. Lazau  et   al.  /  Materials  Research  Bulletin  46   (2011)  1916–19211920

  • 8/17/2019 [email protected]

    6/6

    4. 

    Conclusions

    The  hybrid  materials  based  on  natural  zeolite  and  undoped  and

    Ag-doped 

    TiO2   were  successfully  synthesized  by  solid-state

    reaction  in  microwave-assisted  hydrothermal  conditions.  Theoptimum  annealing  temperature  was  set  up  at  300  8C for  undoped

    TiO2  and  600  8C  for  Ag-doped   TiO2   to  obtain  pure   anatase  TiO2form.

     

    XRD 

    results 

    proved 

    the 

    presence 

    of  

    anatase 

    form 

    of  

    undoped

    and 

    Ag-doped 

    TiO2 onto  zeolite.  Silver  presence  was  confirmed  by

    EDX  analysis.  The  FT-IR   spectra  evidenced  the  presence  on  TiO2bounded  at  the  zeolite  network  by  Ti-O-Al   and  Ti-O-Si,  which

    indicated 

    the 

    load 

    of  

    TiO2  into  zeolite  more  durable  than  simple

    physical 

    combination. 

    The 

    DRUV-VIS 

    spectra 

    indicated 

    that 

    for 

    Ag-

    doped  TiO2 nanocrystals  onto   natural  zeolite  the  absorption  bands

    were   slightly  shifted  to  the  visible  range,  and  led  to  a  stronger

    visible 

    light 

    response 

    than 

    undoped 

    TiO2   onto  zeolite.  The  Ag-

    doped 

    TiO2   onto  zeolitic  matrix  exhibited  an  enhanced  photo-

    catalytic  activity  on  degradation  and  mineralization  of   humic  acid

    under 

    both 

    ultraviolet 

    and 

    visible 

    light 

    irradiation 

    in 

    comparisonwith

     

    undoped 

    TiO2  onto  zeolitic  matrix.

     Acknowledgements

    This 

    study 

    was 

    supported 

    by 

    the 

    Sectoral 

    Operational

    Programme 

    Human 

    resources 

    Development 

    (SOP 

    HRD), 

    financed

    from   the  European   Social  Fund  and  by  the  Romanian  Government

    under  the  contract  number  POSDRU/89/1.5/S/63700  and  by  the

    Romanian 

    National 

    Project 

    No. 

    72–156/2008 

    NANOZEOREZID. 

    The

    authors 

    thank 

    to 

    the 

    X-ray 

    Diffraction 

    and 

    Electron 

    Microscopy

    Laboratories  from  the  Characterization  Department   of   National

    Institute  for  Research  and  Development  in  Electrochemistry  and

    Condensed  Matter,  Timisoara  for  the  characterization  results.

    References

    [1] M.I. Litter, J.A. Navio, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 98 (3) (1996) 171–181.[2]  K. Wilke, H.D. Breuer, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 121 (1) (1999) 49–53.[3]  H. Yahiro,   T. Miyamoto, N. Watanabe,  H. Yamaura, Catal.  Today  120  (2007)

    158–162.[4]  Y.A. Cao, W.S.  Yang, W.F. Zhang, G.Z. Liu,  P.L. Yue,  New J. Chem.  28   (2004)

    218–222.[5]  P. Guo, X. Wang, H. Guo, Appl. Catal. B: Environ. 90 (2009) 677–687.[6]  G.  Li  Puma, A. Bono, D. Krishnaiah, J.G.  Collin, J. Hazard. Mater. 157  (2008)

    209–219.[7]  S. Sakthivel, M.V. Shankar, M. Palanichamy, B. Arabindoo, V. Murugesan, J.

    Photochem. Photobiol. A: Chem. 148 (2002) 153–159.[8]  N. Takeda, T. Torimoto, S. Sampath, S. Kuwabata, H. Yoneyama, J. Phys. Chem. 99

    (1995)   9986–9991.[9] H. Yoneyama, T. Torimoto, Catal. Today 58 (2000) 133–140.[10]    J. Shi, J. Zheng, P. Wu, X. Ji, Catal. Commun. 9 (9) (2008) 1846–1850.[11]  M.V. Shankar, S. Anandan, N. Venkatachalam, B. Arabindoo, V. Murugesan,

    Chemosphere 63 (2006) 1014–1021.[12] E.P. Reddy, L. Davydov, P. Smirniotis, Appl. Catal. B: Environ. 42 (2003) 1–11.[13]  M. Noorjahan, V. Durga Kumari, M. Subrahmanyam, P. Boule, Appl. Catal. B:

    Environ.   47 (2004) 209–213.[14]  G. Li, X.S. Zhao, M.B. Ray, Sep. Purif. Technol. 55 (2007) 91–97.[15]  S. Anandan,M. Yoon, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4 (2003) 5–18.

    [16]  H. Chen, A. Matsumoto, N. Nishimiya, K. Tsutsumi, ColloidsSurf. A: Physicochem.Eng.  Aspects 157 (1999) 295–305.

    [17] M. Liu, X. Guo, X. Wang, C.-H. Liang, C. Li, Catal. Today 93–95 (2004) 659–664.[18]  F . Li,  S. Sun, Y. Jiang, M. Xia, M. Sun, B.  Xue, J. Hazard. Mater. 152   (2008)

    1037–1044.[19]  W. Panpa, P. Sujaridworakun, S. Jinawath,  Appl.  Catal.  B: Environ. 80 (2008)

    271–276.[20]   N. Dubey, S.S. Rayalu, N.K. Labhsetwar, R.R. Naidu, R.V. Chatti, S. Devotta, Appl.

    Catal.   A: Gen. 303 (2006) 152–157.[21] M. Takeuchi, T. Kimura,M. Hidaka, D. Rakhmawaty, M. Anpo, J. Catal. 246(2007)

    235–240.[22]  K.Tenzin,S. Chojay, S.Tenzin,J. Rabten,S.B. Lama,H. Sudrajat, J. Appl. Sci.Environ.

    Sanit.   (2009) 52–58.[23]  H. Lachheb, E. Puzenat, A. Houas, M. Ksibi, E. Elaloui, C. Guillard, J.M. Hermann,

    Appl.  Catal. B: Environ. 39 (2002) 75–90.[24]  B. Damardji, H. Khalaf, L. Duclaux, B. David, Appl. Clay Sci. 44 (2009) 201–205.[25]  C.Ratiu, C.Lazau,P. Sfirloaga,C. Orha,D. Sonea,S. Novaconi,F.Manea, G.Burtica, I.

    Grozescu, Environ. Eng. Manage. J. 8 (2009) 237–242.

    [26] 

    C. Ratiu, C. Lazau, C. Orha, P. Sfı̂rloaga, F. Manea, G. Burtica, A. Iovi, I. Grozescu, J.Optoelectron. Adv. Mater. 11 (6) (2009) 838–844.[27]  C. Ratiu, F. Manea, C. Lazau, I. Grozescu, C. Radovan, J. Schoonman, Desalination

    260  (2010) 51–56.[28] A. Lagashetty, V. Havanoor, S. Basavaraja, S.D. Balaji, A. Venkataraman, Sci.

    Technol. Adv. Mater. 8 (6) (2007) 484–493.[29]  G. Zhu, Y. Li, H. Zhou, J. Liu, W. Yang, Mater. Lett. 62 (2008) 4354–4356.[30]   C.S. Cundy, Collect. Czech. Chem. Commun. 63 (1998) 1699–1723.[31]   J.H. Koegler,A. Arafat, H. VanBekkum,J.C. Jansen, Stud. Surf. Sci. Catal. 105 (1997)

    2163–2170.[32]  Y. Han, H. Ma, S. Qiu, F. Xiao, Micropor. Mesopor. Mater. 30 (1999) 321–326.[33]  S. Mintova, S. Mo, T. Nein, Chem. Mater. 10 (1998) 4030–4036.[34]  D. Baek,  U.Y. Hwang, K.S . Lee , Y. Shul, K .K. Koo, J . Ind. Eng. Chem.  7 (2001)

    241–249.[35]  H. Selcuk, M. Bekbolet, Chemosphere 73 (2008) 854–858.[36]  H. Wong, K.M. Mok, X.J. Fan, Desalination 210 (2007) 44–51.[37]  V.J. Inglezakis, J. Colloid Interface Sci. 281 (2005) 68–79.[38]  R.K. Sharma, M.C. Bhatnagar, Sens. Actuators B: Chem. 56 (1999) 215–219.[39]  A.-X. Lu, N. Lin, X. Li, C.-Y. Tan, J. Cent. South Univ. Technol. 11 (2004) 124–127.

    [40]   A. Fujishima, X. Zhang, D.A. Tryk, Surf. Sci. Rep. 63 (2008) 515–582.[41]  A.N. Okte, E. Sayinsoz, Sep. Purif. Technol. 62 (2008) 535–543.[42]  B. Qi, L.Wu,Y. Zhang, Q. Zeng, J. Zhi, J. Colloid Interface Sci. 345 (2010) 181–186.[43]  C.H. Xu, T. Jin, S.H. Jhung, J.S. Hwang, J.S. Chang, F.L. Qiu, S.E. Park, Bull. Korean

    Chem.  Soc. 25 (5) (2004) 671–686.[44]  H. Natori, K. Kobayashi, M. Takahashi, J. Oleo Sci. 58 (7) (2009) 389–394.[45]  E.H. DeFaria, A. LemesMarcal, E.JoseNassar, K.JorgeCiuffi,Mater. Res. 10(2007)

    413–417.[46]  X. Liu, K.K. Iu, J.K. Thomas, Chem. Phys. Lett. 195 (1992) 163–169.[47]  Y. Kim, M. Yoon, J. Mol. Catal. A: Chem. 168 (2001) 257–263.[48]  F. Li, Y. Jiang,L. Yu, Z.Yang, T.Hou, S.Sun, Appl. Surf. Sci.252 (2005) 1410–1416.[49]  C.Orha, F.Manea, C.Ratiu, G.Burtica,A. Iovi, Environ.Eng.Manage. J. 6 (6)(2007)

    541–544.[50]   A. Bansal, S. Madhavi, T.T.Y. Tan, T.M. Lim, Catal. Today 131 (2008) 250–254.

    Fig.  6.  Comparison   of   the  degradation  and  mineralization  of   50  mg  L 1 humic  acid

    under   UV  (i)   and  VIS  (ii)  irradiation  by  photolysis  and  photocatalysis  using  Z-Na,  Z-

    Na-TiO2 and   Z-Na-TiO2-Ag  catalyst.

    C. Lazau  et   al.  /  Materials  Research  Bulletin  46   (2011)  1916–1921  1921