Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработана методика синтеза нитевидных кристаллов TiO2, BaTiO3 и ZnO гидротермальным методом. Установлена закономерность формирования полупроводниковых нанонитей с различным аспектным соотношением. Выявлены структурные и морфологические особенности синтезированных полупроводниковых нанонитей с использованием растровой электронной микроскопией, рентгеноструктурного анализа, спектроскопией комбинационного рассеяния света, силовой микроскопии пьезоотклика. Определена зависимость скорости электрофоретического осаждения наночастиц, в частности установлена зависимость влияния лаурилсульфата натрия на электрофоретичсекую скорость осаждения частиц при разных напряженностях электрического поля. Разработана электрофоретическая ячейка с горизонтальным положением электродов. Разработана методика формирования слоев нанонитей диоксида титана на подложке с использованием электрофоретического осаждения. Продемонстрировано, что с ростом увеличения содержания ЛСН стабильность суспензии ухудшается. Стабильность суспензии была улучшена при добавлении диспергирующего агента гидроксипропилцеллюлозы. Разработан и изготовлен реактор для проведения каталитических измерений при возможности одновременного воздействия на образец температурой, электромагнитным излучением и электрическим полем и разработана газовая система. Определено время выхода возможных продуктов синтеза, проведена градуировка хроматографа по газовым смесям и чистым веществам, что позволило построить линию зависимости концентрации аналита на площадь пика хроматограммы. Проведены первые эксперименты по восстановлению влажного CO2 на модельных образцах, в качестве которых использовался слой диоксида титана, нанесенный на титановую фольгу электрофоретическим методом. В ходе экспериментов при одновременном воздействии температуры, электрического поля и видимого излучения в явном виде был обнаружен синергетический эффект повышения каталитической активности полупроводникового катализатора TiO2.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
- Разработаны методики и установлены закономерности модификации полупроводниковых нитевидных кристаллов, в частности диоксида титана, титаната бария и титаната стронция с использованием солей металлов гидротермальным методом и получены результаты исследования морфологических, структурных свойств и элементного состава полученных каталитических материалов с использованием современных аналитических инструментов. - Разработана методика формирования каталитических слоев на основе полупроводниковых материалов TiO2/ZnO методом электрофоретического осаждения. Для разработки состава суспензии с TiO2-ZnO были проведены седиментационный анализ суспензий с добавками лаурилсульфат натрия и гидроксипропилцеллюлозы и исследование влияния количества добавок на скорость электрофоретического осаждения. Получены зависимости скорости осаждения частиц TiO2/ZnO от напряженности электрического поля. Была проведена серия экспериментов электрофоретического осаждения TiO2 на подложки с разной площадью и выявлен оптимальный режим проведения электрофоретического процесса на подложки с увеличенной площадью. - Изготовлены тестовые образцы в двух конфигурациях (с нижним и верхним электродом и двумя верхними электродами) для электрофизических и каталитических измерений в различных газовых атмосферах. В качестве каталитического слоя был сформирован слой на основе TiO2 методом электрофоретического осаждения. Золотые электроды были сформированы вакуум-термическим методом на кремниевую пластину предварительно до осаждения TiO2 и на поверхности осажденного слоя TiO2 через маску. В случае изготовления образца с двумя верхними электродами предварительно на кремниевую подложку был сформирован слой Ti 100 нм магнетронным напылением и впоследствии был термически обработан, таким образом слой Ti был окислен до TiO2. - С целью исследования влияния температуры на вольт-амперных характеристики образцов был собран специальный стенд, позволяющий проводить измерения в различных газовых средах с управляемым охлаждением\нагревом образцов. Были получены температурные зависимости сопротивления слоев TiO2 в атмосфере CO2, CO, O2, H2, N2 и Ar+H2O. - Проведено исследование влияния адсорбции различных газов на электронные свойства диоксида титана, в частности изменения ширины запрещенной зоны, проводимости с использованием математического моделирования. Расчеты проводились с использованием квантово-химических методов, реализованных в вычислительном пакете Quantum atk. Взаимодействия ионов с электронами описывалось псевдопотенциалом PseudoDojo, с разложением волновой функции по атомным орбиталям (приближение линейной комбинации атомных орбиталей). Обменные взаимодействия учитывались в приближении Пердью-Берка-Эрнцерхофа (PBE). Были рассчитаны ширина запрещенной зоны, энергия адсорбции, коэффициент поглощения, диэлектрическая восприимчивость, подвижность носителей заряда при адсорбции на TiO2 воды, азота, кислорода, углекислого газа. - Установлено влияние комбинированного воздействия температуры и концентрации влажности на выход продуктов и каталитическую активность диоксида титана при восстановлении углекислого газа. Выявлена кинетика выхода метанола нитевидных кристаллов BaTiO3 при температуре реактора 30, 40, 60, 80 °С и влажности 40, 50, 60, 80 %. Определены оптимальные параметры проведения фотокаталитического процесса восстановления диоксида углерода, в частности температура 40 °С, влажность 60%. Исследования выхода продуктов на образцах на основе нитевидных кристаллов TiO2 и BaTiO3 под воздействием электрического поля повышение фотокаталитической активности не выявили. Также при облучении электромагнитным излучением видимого спектра образцы не демонстрировали фотокаталитическую активность. - Изучены динамики процессов деградации органических веществ на поверхности порошковой и нитевидной формы TiO2 под воздействием температуры, излучения ксеноновой лампы, электрического поля и их комбинации. Наименьшая каталитическая активность TiO2 была зафиксирована при воздействии электрического поля, в результате чего за 2 часа с поверхности порошковой и нитевидной форм было удалено 18 и 24 % красителя соответственно. Установлено, что большее влияние на каталитическую активность TiO2 оказывает воздействие температуры 60 оС, при которой исходная концентрация МВ за 2 часа снизилась на 26 и 48 % на порошковой и нитевидной формах соответственно. При воздействии излучения ксеноновой лампы порошковый и нитевидный TiO2 проявили высокую каталитическую активность, благодаря которой было удалено 97 и 85 % красителя соответственно в течение 2 часов облучения. Продемонстрирована синергия световой и тепловой обработок, одновременное применение которых значительно повысило динамику разложения красителя на поверхности TiO2 позволяя за 1 час обработки достичь 91 и 90 % удаления вещества с порошковой и нитевидной форм соответственно. Установлено, что при тепловом и электрическом воздействии большую каталитическую активность проявляет нитевидный TiO2, а при световом воздействии большую скорость деградации МВ демонстрирует порошковая форма. Продемонстрировано, что при комбинированном воздействии на порошковый и нитевидный TiO2 динамики деградации красителя становятся идентичными. Продемонстрировано, что скорость собственной фотодеградации метиленового синего имеет значительно меньшую скорость в сравнении с деградацией на порошковой или нитевидной формах TiO2. - По результатам исследований будет подготовлено и опубликовано 3 работы в научных журналах, входящих в международные и отечественные базы. Результаты проекта были представлены на двух конференциях и опубликовано 8 тезисов докладов.