Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета (ПГУ) создали фотокатализатор с уникальными свойствами, способный разлагать органические соединения не только под ультрафиолетом, но и под видимым светом. В ПГУ одними из первых предложили получать фотокатализатор на основе двухслойной пористой гетероструктуры, пористость которой делает «активным» не только поверхность материала, но и его объем.
Предложение запатентовано. Экспериментальная проверка показала, что такой фотокатализатор способен удалять органические загрязнители до 90%, а при увеличении времени действия — до 99,9%.
В современном мире фотокатализаторы служат «невидимыми» бойцами с опасными загрязнителями. Они очищают воду и воздух от органических веществ: от нефтепродуктов и опасных газов до остатков лекарств. Такой материал должен быстро и эффективно разлагать любой тип загрязнителя до безвредных веществ. Однако чаще всего фотокатализаторы работают только под ультрафиолетовым излучением, которого в солнечном свете всего 4%.
Золотая мечта фотокатализа — создать материал, который будет разлагать все типы органических загрязнителей. Делать это быстро и под воздействием видимого излучения, в идеале — использовать весь спектр солнечного света, — рассказала один из разработчиков способа, ведущий научный сотрудник межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ доцент Надежда Якушова.
Исследователи межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ предложили создавать фотокатализаторы на основе двухслойной гетероструктуры SiO2-SnO2/ZnO:Ag с повышенной фотокаталитической активностью. Эффективными при солнечном свете их делает именно двухслойная пористая структура. Главная сложность заключалась в том, чтобы «заставить» работать не только верхний слой, но и нижний.
Как пояснила Надежда Якушова, в классических однослойных фотокатализаторах, изготовленных на подложке, в реакции участвует только поверхность материала. Молекулы загрязнителя не добираются до объема и нижних слоев. В ПГУ верхний слой сделали пористым. Благодаря порам молекулы загрязнителя проникают глубже и взаимодействуют с нижним слоем. Работать в широком спектре видимого света позволяет включение серебра в состав компонентов для фотокатализатора. Этот химический элемент помогает «сдвинуть» чувствительность материала и решает ряд дополнительных задач.
Нижний слой выполнен на основе диоксида олова и диоксида кремния. Как отмечает ведущий научный сотрудник лаборатории доцент Андрей Карманов, диоксид олова сам по себе не считается эффективным фотокатализатором.
Однако в комбинации с диоксидом кремния, играющим роль каркаса, и верхним слоем на основе пористого оксида цинка, он становится эффективным, — пояснил ученый.
В состав верхнего слоя исследователи включили оксид цинка и серебро. Такая комбинация обладает высокой фотокаталитической активностью. Для достижения необходимой пористости в ПГУ изменили технологию получения пленкообразующего золя: в классическом варианте он «созревает» сутки, однако ученые исключили этап «старения» и тем самым добились нужной структуры пор.
В лаборатории создано более 100 образцов фотокатализаторов по запатентованному способу. Для синтеза использовалась золь-гель технология, позволяющая точно управлять этапами синтеза и вводить модификаторы в материал. Нанесение на прозрачную подложку, например стекло, проводилось двумя методами: dip-coating (погружение) и spin-coating (центрифугирование). Подготовленный золь наносится на подложку и равномерно распределяется по ней, после чего осуществляется сушка, затем операция повторяется для формирования верхнего слоя другого состава. На завершающем этапе происходит отжиг в муфельной печи при температуре 550 градусов Цельсия.
Полученные образцы проверили на сложном загрязнителе — антибиотике ципрофлоксацине.
Он плохо поддается разложению под действием фотокатализаторов. И его неправильная и неполная утилизация может привести к серьезным экологическим проблемам, — поделился инженер-исследователь Иван Филиппов.
Образцы опускали в раствор и облучали разными типами света: мягким и жестким ультрафиолетом, а также видимым светом. Под УФ-излучением удалось разложить до 90% загрязнителя, под видимым — около 25%. Как отметил Андрей Карманов, при увеличении времени эксперимента со 120 до 240 минут эффективность разложения может возрасти до 99,9%.
Новый фотокатализатор может найти широкое применение для очистки воды и воздуха в промышленных и городских системах, в химической, фармацевтической и биосинтетической промышленности. Разработкой уже заинтересовалось предприятие, специализирующееся на производстве пластиковых окон. Надежда Якушова добавила, что такие фотокатализаторы можно наносить на стекла, что может заметно сократить затраты на клининг окон небоскребов, на который в мегаполисах ежегодно уходят сотни тысяч рублей.
Источник: Минобрнауки России
