В ПГУ создали эффективный фотокатализатор, разлагающий сложные загрязнители благодаря солнечному свету
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета создали фотокатализатор с уникальными свойствами. Изобретение найдет широкое применение в очистных системах, в химической, фармацевтической и биосинтетической промышленности при утилизации отходов. Его внедрение поможет эффективнее проводить очистные работы, при этом снизив расходы. Созданные и протестированные образцы новых фотокатализаторов показали высокую эффективность, более 80% модельного загрязнителя разлагается за 120 минут. В них заинтересованы крупные предприятия Пензенской области. Об этом сообщило ТАСС.
В современном мире разработка и использование фотокатализаторов в разных сферах, начиная от медицины и заканчивая наноинженерией, считается перспективным направлением. Их уже используют для очистки воды, воздуха, стен и крыш небоскребов, в медицине.
Фотокатализаторы создают в основном при помощи химических реакций и используют в качестве них полупроводниковые оксиды: оксид цинка, оксид титана и другие. Одной из важнейших проблем, с которой сталкиваются ученые, — фотокатализаторы на основе этих материалов активны только при воздействии на них ультрафиолетового излучения. От спектра излучения Солнца ультрафиолет составляет всего лишь 4%, а остальные 96% не могут использоваться эффективно в целях фотокатализа.
«Разумеется, чтобы „запустить их работу”, например, для очистки воды, нужно дополнительное освещение — ультрафиолетовые лампы. А это дополнительные затраты. А при естественном свете они работают крайне неэффективно», — пояснил один из разработчиков Иван Филиппов.
Он добавил, что именно поэтому важно создать такой фотокатализатор, который будет активным при солнечном свете (видимое излучения). Эту задачу решают много лет ученые всего мира. Уже созданы такие фотокатализаторы. Однако они не лишены недостатков: сложный процесс их создания, низкая эффективность, дороговизна технологии получения и так далее.
Исследователь рассказал, что необходимость использования ультрафиолетового излучения связана с тем, что полупроводниковые оксиды вышеупомянутых металлов имеют большую ширину запрещенной зоны.
Полупроводники условно можно разделить на группы: узкозонные и широкозонные. К первым относятся кремний, германий, антимонид индия, а ко вторым диоксид олова, оксид цинка и другие. В зависимости от величины запрещенной зоны эти материалы могут обладать принципиально различными свойствами, которые обуславливают сферы их практического применения. Так, узкозонные материалы стали основой современной микро- и наноэлектроники, а широкозонные перспективны для создания чувствительных элементов газовых сенсоров, датчиков вакуума и фотокатализаторов.
Ученые межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» Пензенского госуниверситета — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник Надежда Якушова, инженер-исследователь Иван Филиппов, младший научный сотрудник Иван Губич, канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Андрей Карманов, д-р техн. наук, главный научный сотрудник Игорь Пронин — создали высокоэффективный фотокатализатор, обладающий уникальными свойствами. Он активен и при воздействии ультрафиолетового излучения, и при освещении солнечным светом. Такой материал способен разложить органические загрязнители в водных растворах с высокой эффективностью, более 80% модельного загрязнителя (метилового оранжевого) разлагается за 120 минут. Результат получился благодаря созданию фотокатализатора в виде иерархической гетероструктуры из металлооксидов с различной шириной запрещенной зоны.
Если посмотреть под микроскопом на эту структуру, внешне она напоминает ветви дерева. Крупные ветви образованы из оксида цинка, модифицированного алюминием. К ним примыкают мелкие ветви, на которых располагаются наночастицы оксида меди (II).
«Нам удалось создать уникальную структуру, которая по ключевым параметрам превосходит все остальные. Мы совместили два подхода, которые во всем мире используют для расширения области спектра фотокатализатора. В предложенном способе мы уменьшаем ширину запрещенной зоны оксида цинка за счет его модифицирования алюминием и изготавливаем новую композитную структуру», — пояснил Андрей Карманов.
В фотокатализаторах от пензенских исследователей, как и упоминалось выше, достаточно сложная структура — гетероструктура. В ней осуществляется переход между двумя материалами, существенно отличающимися параметрами. Их ширина запрещенной зоны сильно различается.
В межкафедральной научной лаборатории на базе Пензенского госуниверситета были получены первые образцы высокоэффективных фотокатализаторов.
С помощью методов нанотехнологии ученые создали специальный состав — пленкообразующий золь. Из него в последующем сформировали фотокатализаторы на прозрачных подложках методом центрифугирования (spin-coating).
Золь-гель технология позволяет управлять этапами синтеза и внедрением модификаторов в исходный материал — оксид цинка. Так получается достичь нужные характеристики у конечного продукта.
Надежда Якушова подчеркнула, соотношение концентрации химических компонентов подобрано в лаборатории экспериментально. Для создания такого фотокатализатора атомное содержание в растворе должно составлять 3 атомных процента меди и столько же алюминия.
«При других исследованных концентрациях мы увидели на другой большой серии образцов, что подобные структуры не образуются», — добавила она.
Весь процесс происходит следующим образом.
Первоначально создается пленкообразующий золь. Для этого смешиваются химические реактивы (дигидрат ацетата цинка, нитрат алюминия, тригидрат нитрата меди и другие). Золь созревает в течение суток при комнатной температуре.
На лабораторной установке на закрепленную подложку наносится золь, выступающий как основа для будущей пленки — фотокатализатора. Подложка с разработанным материалом отправляется в центрифугу. Центробежное ускорение распределяет золь по подложке. Последним этапом создания фотокатализаторов является отжиг, который проводят в муфельной печи при температуре 550 °С в течение 30 минут.
Ученые в лабораторных условиях проверили эффективность разработанного материала на модельном загрязнителе. В водный раствор красителя — метилового оранжевого (с концентрацией 40 мкмоль/л) поместили разработанный фотокатализатор. Он эффективно работает при ультрафиолетовом излучении и при солнечном свете. Загрязнитель разложился за два часа почти на 80 процентов (78%) при УФ, под действием видимого света на три процента меньше — на 75%.
Андрей Карманов поделился, что в конечном итоге загрязнитель может разложиться до воды, углекислого газа и продуктов минерализации. Для этого понадобится немного больше времени.
Им удалось проверить более 30 опытных образцов.
«Наша разработка поможет сохранить экологию. На основе предложенных фотокатализаторов можно создавать самоочищающиеся покрытия и антимикробные средства, очищать загрязненную промышленными стоками воду, разлагать фармацевтические препараты. Наш фотокатализатор будет работать при обычном дневном освещении», — поделился Иван Филиппов.
Высокоэффективный фотокатализатор экономичнее существующих аналогов, его проще создать.
Разработкой заинтересованы ведущие предприятия Пензенской области. В настоящее время ведутся переговоры о сотрудничестве. На ноу-хау получен патент РФ на изобретение.
Разработанный материал может использоваться в фотокаталитических фильтрах очистных сооружений на промышленных предприятиях, в фармацевтической промышленности для утилизации лекарственных препаратов, а также при создании самоочищающихся покрытий, например для высотных зданий.