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.