КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-23-00505
НазваниеНовые композитные полупроводниковые материалы для эффективного фотокаталитического окисления ароматических соединений под излучением УФ- и видимого диапазонов
РуководительЛюлюкин Михаил Николаевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые словагетероструктуры, композиты, видимый свет, бензол, фотоокисления, диоксид титана
Код ГРНТИ31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка активных и стабильных фотокатализаторов для разложения летучих органических соединений при использовании света видимого диапазона важна для эффективного использования энергии солнечного света и защиты окружающей среды. Поскольку наиболее распространённый и подходящий для процессов окисления диоксид титана в структуре анатаз активен только под УФ-излучением, постоянно ведутся научные поиски путей по сенсибилизации его к видимому свету. Известно, что диоксид титана, допированный азотом, обладает высокой активностью под видимым светом по сравнению с модифицированным плазмонными металлами диоксидом титана, но вместе с этим он обладает относительно низкой стабильностью активности из-за постепенного разложения форм азота под воздействием мощного излучения. Наравне с ограниченным спектром действия диоксида титана и снижающейся активности азот-допированного TiO2 большой сложностью для фотоокисления является эффективное окислительное разрушение молекул ароматических соединений, например бензола. Это происходит из-за накопления на поверхности катализатора промежуточных продуктов окисления, ингибирующих процесс.
Для решения представленных актуальных проблем предлагается использовать подход по синтезу композитных каталитических систем, объединяющих азот-допированный диоксид титана и полупроводниковые соединения висмута, обладающих свойством гетероперехода. Такое совмещение полупроводников позволит повлиять на структуру энергетических уровней композитного полупроводника, расширить спектр действия за счёт уменьшения ширины запрещённой зоны и предотвратить рекомбинацию за счёт лучшего пространственного разделения фотогенерированных носителей зарядов. Для повышения эффективности конверсии бензола до безопасных продуктов упомянутые композитные системы также будут модифицированы нанесением частиц металлов, что должно усилить процесс окисления бензола и подавить накопление монооксида углерода. На данный момент подход по созданию таких каталитических фотосистем практически не затронут в научной литературе и поэтому обладает несомненной новизной.
Выполнение проекта позволит получить новые научные результаты, выявить связи между составом, структурой и активностью синтезированных композитных наносистем и закономерности влияния физико-химических характеристик на их фотокаталитическую активность при окислении ароматических соединений. Результаты проекта будут представлены на конференциях и опубликованы как минимум в трёх статьях в высокорейтинговых журналах, индексируемых признанными базами данных.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет исследовано влияние состава и структуры получаемых композитных катализаторов, чувствительных к свету видимого диапазона, а также условий синтеза на их активность и стабильность в реакции фотоокисления паров бензола. Будут определены спектральные характеристики катализаторов и изучена возможность термического усиления протекания процесса. Помимо непосредственно дизайна композитных гетероструктур полупроводниковых катализаторов, будет проведено модифицирование поверхности частицами и ионами металлов, способных к дополнительному воздействию на активность и стабильность получаемых фотосистем.
Конкретные научные результаты будут включать:
1) Связь физико-химических характеристик фотокатализаторов, синтезированных золь-гель методом и методом гидротермальной обработки, с их фотокаталитической активностью в реакции фотокаталитического окисления паров бензола под светом УФ- и видимого диапазонов.
2) Данные о стабильности активности синтезированных образцов и композитных наносистем, о фотонной эффективности процесса и спектр действия для фотокатализаторов.
3) Кинетические закономерности и влияние реакционных условий на протекание процессов фотоокисления паров бензола в стационарном режиме под действием света видимого диапазона излучения.
Выполнение данного проекта позволит получить новые научные результаты и разработать эффективные фотокатализаторы. Ожидаемые результаты будут оригинальными и будут обладать новизной. Исследования будут проведены на уровне, сопоставимом с мировым, что позволит опубликовать результаты в высокорейтинговых журналах. Результаты, несомненно, помогут развить направление фотоокисления ароматических соединений под светом видимого диапазона и позволят сделать следующий шаг в практическом применении фотокаталитических технологий очистки воздуха от вредных микропримесей.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Фотокаталитическое окисление является передовым и перспективным способом борьбы с уже имеющимися молекулярными загрязнителями окружающей среды и снижения их влияния на здоровье человека за счёт окислительной деструкции молекулярных органических примесей в воздухе до безопасных конечных продуктов, таких как вода и углекислый газ. Перспективность такого подхода также обусловлена возможностью проведения процесса без подведения дополнительной энергии от каких-либо источников, а только за счёт энергии солнечного излучения. Одними из наиболее устойчивых к окислительному фотокаталитическому воздействию являются соединения ароматической природы, которые за счёт присутствия бензольного кольца в своей структуре требуют большого количества генерируемых активных частиц для разрушения молекулы на мелкие составляющие и их полного окисления. При этом возможны процессы дезактивации поверхности промежуточными продуктами, которые блокируют доступ целевого разрушаемого соединения к поверхности и ограничивают способность фотокатализатора проводить превращения. Реализуемый проект посвящён разработке активных и стабильных фотокатализаторов для разложения летучих органических соединений при использовании света видимого диапазона, которые необходимы для эффективного использования энергии солнечного света и защиты окружающей среды.
В начале отчётного периода были выполнены работы по синтезу золь-гель методом чувствительного к свету видимого диапазона азот-допированного диоксида титана, который стал базовым компонентом при синтезе композитных фотокатализаторов. Далее гидротермальным методом были синтезированы композиты, содержащие помимо диоксида титана, вольфрамат висмута. Состав полученных композитов был исследован методами рентгенофазового анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, что позволило подтвердить образование требуемой фазы вимута и образование гетероструктуры из двух полупроводников. Полученные данные о текстурных, оптических и фотоэлектрохимических характеристиках позволили подробнее изучить состояние полученных композитных фотокатализаторов и проявляемые ими свойства. Далее активность синтезированных материалов была изучена в тестовой реакции окисления паров бензола на проточной установке, модифицированной за счёт средств данного проекта специально под специфику проведения конкретного процесса. Эта установка позволила в автоматизированном режиме по заданной программе проведения эксперимента выполнять рутинные операции для определения фотоактивности каталитических образцов под действием излучения с заданными характеристиками длины волны и интенсивности светового потока в условиях поддерживаемой температуры, влажности и концентрации окисляемого тестового вещества, что позволило свести к минимуму влияние человеческого фактора. По результатам испытаний было показано формирование стабильных фотокаталитических материалов, активность которых под синим светом сохраняется на протяжении как минимум нескольких суток на уровне исходной. При этом наблюдаемое снижение активности связано с накоплением углеродсодержащих соединений на поверхности фотокатализатора; количество таких соединений было проанализировано по показателям содержания общего органического углерода для разных значений концентрации окисляемого бензола под УФ-излучением и синим светом. Изучены адсорбционные характеристики синтезированных материалов по отношению к бензолу, являющемуся тестовым окисляемым веществом; показано, что адсорбция бензола на полученных материалах без воздействия излучения пренебрежимо мала. Поэтому наибольшее влияние удельная поверхность образца оказывает на распределение промежуточных продуктов окисления, количество которых под действием света видимого диапазона выше за счёт большей глубины проникновения света по слою фотокатализатора.
Зависимость активности фотокатализаторов под действием УФ-излучения (370 нм, 11 мВт/см2) и синего света (440 нм, 100 мВт/см2) от состава была соотнесена с полученными данными об их физико-химических свойствах. Было подтверждено, что формирование устойчивой фазы вольфрамата висмута происходит при его расчётном содержании более 30% масс. При количестве компонентов меньше указанного неполное формирование структуры приводит к возможности восстановления висмута под действием излучения, падающего на фотокатализатор, вплоть до металлического, что повышает рекомбинацию фотогенерированных элементарных носителей зарядов и снижает активность катализатора в целевом процессе. Изучены спектры действия набора композитных фотокатализаторов, показано постоянство границы зоны активности фотокатализатора. Согласно полученным спектрам действия, наибольшее значение фотонной эффективности в процессе окисления паров бензола составило 15% под УФ-излучением и 2,5% под синим светом, что значительно превышает показатели для широко известного фотокатализатора Evonik P25.
На второй год проекта запланированы работы по синтезу и исследованию композитов с ванадатом висмута и проведение исследований по изучению их активности в процессе окисления паров бензола. Также будет изучена возможность снижения выхода монооксида углерода и повышения активности синтезированных композитов за счёт нанесения частиц и ионов металлов на поверхность синтезированных гетероструктур. Отдельные усилия будут направлены на изучение спектров действия композитных фотокатализаторов и исследования в направлении расширения зоны активности фотокатализаторов в сторону красной области спектра.
Публикации
1. Люлюкин М.Н., Морозова М.Е., Польских Д.А., Просвирин И.П., Черепанова С.В., Селищев Д.С., Козлов Д.В. Структурные особенности и их связь с каталитическими свойствами композитов Bi2WO6/TiO2-N при фотоокислении паров бензола Журнал структурной химии, №2, т.65, 122698 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.26902/JSC_id122698
2. - Институт катализа СО РАН разрабатывает фотокатализаторы нового поколения для окисления канцерогенного бензола Научно-деловой портал «Атомная энергия 2.0» (Независимое профессиональное СМИ с элементами открытой семантической системы управления ядерными знаниями), - (год публикации - )