Под действием солнечного света и электрического поля. Ученые в два раза ускорили разложение загрязнителя

Химики более чем в два раза повысили активность фотокатализаторов на основе оксида графена с помощью электрического поля. Авторы доказали это, проведя в присутствии катализатора реакцию по разрушению органического загрязняющего вещества. Открытие поможет разрабатывать новые экологически чистые способы очистки воды, производства водорода и химического синтеза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Фотокатализ, то есть ускорение химических реакций с помощью катализаторов, преобразующих поглощенный ими свет в полезную химическую работу, — это ключевое направление развития «зеленых» химических технологий. Фотокатализаторы, чувствительные к видимому солнечному свету, могут существенно упростить и удешевить очистку воды от синтетических и биологических загрязнений, переработку углекислого газа, а также производство водорода — экологически чистого топлива.

Аспирант Максим Соколов держит кювету с раствором, очищенным от загрязняющего вещества. Источник: Мария Калинина.

Однако, несмотря на огромный потенциал этих технологий, их применение в промышленных процессах пока еще ограничено. Это связано с тем, что доступные и недорогие фотокатализаторы малоэффективны и в основном поглощают ультрафиолет, составляющий всего несколько процентов солнечного спектра, а новые материалы очень дороги и не производятся в необходимых количествах.

Химики из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва) с коллегами повысили активность фотокатализаторов на основе оксида графена, поместив их во внешнее электрическое поле. Оксид графена — один из самых дешевых и доступных наноматериалов — способен воспринимать электрическое поле, но не солнечный свет. Авторы сделали частицы оксида графена чувствительными и к свету, добавив к нему органические красители. Такие фотокатализаторы способны в присутствии внешнего электрического поля ускорять передачу электронов в химическую реакцию.

Схема эксперимента. Источник: Мария Калинина.

Авторы доказали этот эффект, в два раза ускорив фотокаталитическое разложение органического загрязняющего вещества в экспериментальной каталитической ячейке, куда помещали водный раствор с фотокатализатором и к которой прикладывали внешнее поле.

Использованная нами фотокаталитическая ячейка с бесконтактным внешним источником поля — доступная, дешевая и экологичная технология. Наша технология — это "фотокатализ в конденсаторах", а конденсаторы могут заряжаться в том числе и от солнечного света и не требуют обязательного постоянного подключения ячейки к сети. Вполне можно представить себе, что ее удастся модифицировать так, чтобы использовать электрические поля от высоковольтных линий электропередач для работы систем очистки воды или модулей для химического синтеза. В дальнейшем мы планируем исследовать катализаторы с другими красителями в составе, чтобы определить, какие из них обладают максимальной активностью.

• Мария Калинина, руководитель проекта, доктор химических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Лаборатории биоэлектрохимии Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН

В исследовании принимали участие сотрудники Московского педагогического государственного университета(Москва), Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург) и Университета Регенсбурга (Германия).

Фото на обложке: Алсу Нугманова, первый автор статьи, кандидат химических наук. Источник: Мария Калинина. Все изображения предоставлены пресс-службой РНФ