Ученые МИЭТ в составе научного коллектива предложили новый способ получения материала, позволяющего перерабатывать углекислый газ в метанол под воздействием солнечного света. По их словам, разработанная технология позволяет быстро, экономично и на простом оборудовании получить фотокаталитический материал с улучшенными свойствами. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nanomaterials.Одно из важных направлений развития зеленых технологий сегодня – использование неисчерпаемых природных ресурсов (энергии приливов, ветров или солнца) не только для генерации электричества, но и для осуществления химических процессов, для протекания которых необходим внешний источник дополнительной энергии.
Химические процессы, протекающие при облучении реакционной системы светом, называются фотокаталитическими. За счет энергии солнца фотокатализаторы могут преобразовывать углекислый газ в топливо (например, метан или метанол).
Под воздействием излучения в материале катализатора генерируются носители заряда – электроны и дырки. Образовавшиеся электронно-дырочные пары участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, преобразуя углекислый газ и воду в другие органические соединения.
Группы ученых во всем мире разрабатывают условия, при которых комбинация света и материала катализатора позволяет добиться наибольшего выхода продукта реакции при наименьших экономических затратах. В качестве основы для фотокатализаторов из-за исключительных механических и оптических свойств, а также низкой рыночной стоимости чаще всего применяется диоксид титана TiO2.
Часто для улучшения фотокаталитических свойств, материалы на основе TiO2 сочетают с другими полупроводниковыми. Именно эта стадия производства наиболее ресурсозатратна и высокотехнологична, сообщил научный сотрудник лаборатории «Технология наноматериалов» Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ) Андрей Тарасов.
«
«Когда два полупроводника, например таких, как диоксид титана и оксид меди, находятся в контакте с друг другом, формируется гетеропереход, который увеличивает время жизни носителей заряда. Вследствие этого повышается фотокаталитическая активность», – рассказал он.
Ученые вуза в сотрудничестве с другими российскими исследователями предложили способ формирования композиционного материала из TiO2 и СuO очень простым и быстрым методом – электрофоретическим осаждением. Этот метод позволяет управлять свойствами осаждаемого материала, контролируя состав, морфологию и толщину формируемого слоя.
«Представьте себе магнит, который притягивает к себе магнитные частицы. Точно так же во время электрофоретического осаждения заряженные частицы притягиваются к противоположно заряженной поверхности. В данном случае не магнитные силовые линии, а электрические заставляют частицы двигаться в определенном направлении. Главное, чтобы частицы обладали поверхностным зарядом. Например, на основе электрофоретического явления работают чернила (e-ink) в электронных книгах, с которыми мы все хорошо знакомы», – рассказала научный сотрудник лаборатории «Технология наноматериалов» МИЭТ Лариса Сорокина.
Предложенное сочетание полупроводников позволило получить материал с повышенной фотокаталитической активностью по сравнению с классическим фотокатализатором на основе диоксида титана. В случае содержания всего лишь 10 массовых процентов оксида меди в слое эффективность преобразования углекислого газа до метанола увеличилась в два раза, рассказали исследователи.
«Дальнейшие исследования будут сосредоточены на том, чтобы изменить структуру частиц оксида меди, преобразовав их в нанонити. Предварительные результаты демонстрируют, что нитевидная форма каталитического наноматериала может обладать более высокими фотокаталитическими свойствами по сравнению с порошковыми», – добавила Сорокина.
Исследования и разработка композиционных фотокатализаторов ведутся на базе Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ в рамках гранта Российского научного фонда №22-19-00654.
Обсуждение