Развитие «зеленой» технологии конверсии CO2 на основе синергии воздействия электрического поля, электромагнитного излучения и температуры

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 проекта 22-19-00654

НазваниеРазвитие «зеленой» технологии конверсии CO2 на основе синергии воздействия электрического поля, электромагнитного излучения и температуры

Руководитель Громов Дмитрий Геннадьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова электрическое поле, фотокатализ, преобразование CO2, полупроводники, химических вещества с добавленной стоимостью, зеленые технологии, нанонити

Код ГРНТИ44.01.91; 61.29.39; 61.31.55

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Критические темпы роста показателей содержания CO2 в атмосфере за последние годы, обусловленные антропогенным фактором, вызывают потребность поиска эффективных приемов повышения производительности «зеленых» технологий конверсии углекислого газа с целью минимизации его выбросов. Примером поиска «зеленых» подходов к утилизации CO2 является искусственный фотосинтез на основе фотокатализа. Несмотря на большой прогресс, достигнутый за последнее время, фотокаталитические процессы остаются недостаточно эффективными в плане практического применения. Среди различных свойств полупроводника, таких как поглощение света, генерация, транспорт и рекомбинация имеют основное влияние на их активность в различных процессах. Электрическое поле может также влиять на свойства полупроводника. Часто для улучшения разделения носителей заряда используют или встроенные электрические поля (путем инженерии материалов), или слабые внешние поля, что позволяет несколько увеличить активность фотокаталитических систем. Научная значимость исследования состоит в соединении химического и электрофизического подходов к построению каталитических систем на основе анализа как химических процессов, так и электрофизических особенностей материалов, таких как генерация, транспорт и разделение носителей заряда с последующей активацией каталитического процесса комплексным воздействием электрического поля, света и температуры в оптимальном сочетании для повышения производительности процесса утилизации CO2. Научная новизна проекта состоит в применении комбинации электрического поля, электромагнитного излучения и температуры к специально подобранным каталитическим системам на основе оксидных полупроводников для улучшения условий генерации, транспорта и разделения носителей заряда и достижения синергетического эффекта воздействия электрического поля, электромагнитного излучения и температуры в виде высокой каталитической активности исследуемых полупроводников и высокого выхода продукта конверсии углекислого газа, например, CO, метан и метанол. Полученные нами предварительные результаты показывают, что приложение более сильных электрических полей (~10^4 В/см2) без наличия других источников энергии может вызывать в 160 раз большую каталитическую активность в процессе конверсии CO2 при минимальных затратах энергии, чем тот же фотокаталитический процесс. В связи с этим, мы предполагаем, что путем изучения подбора/регулировки мощности и длины волны излучения, напряжения электрического поля и температуры, возможно, получить значительный синергетический эффект, благодаря которому можно будет получить на порядок лучшие каталитические активности оксидных полупроводников в различных процессах, высокий выход продуктов и преобразование за один проход даже при невысоких температурах. Таким образом, комбинация методов может открыть новые возможности для разработки полномасштабных каталитических низкотемпературных процессов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Исследование структурных и электрофизических свойств нанонитей титаната бария, полученных методом гидротермального синтеза Исследование структурных и электрофизических свойств нанонитей титаната бария, полученных методом гидротермального синтеза Известия высших учебных заведений.Электроника, Том 28, №2, 2023 (год публикации - 2023)

2. А. Тарасов, С. Дубков, Е. Вигдорович, М. Федянина, Р. Рязанов, А. Сиротина, Д. Громов Photocatalytic reduction of CO2 over TiO2 nanowires catalyst MATEC Web of Conferences, 376, 01011 (год публикации - 2023)
10.1051/matecconf/202337601011

3. К.И. Пак, Л.И. Сорокина, А.В. Кузьмин, Р.М. Рязанов, Е.П. Кицюк, С.В. Дубков, Д.Г. Громов Формирование композитных слоев TiO2-ZnO с повышенной фоточувствительностью методом электрофоретического осаждения Известия высших учебных заведений.Электроника, Рег.№2748 (год публикации - 2024)

4. Л.И. Сорокина, А.М. Тарасов, А.И. Пепеляева, П.И. Лазаренко, А.Ю. Трифонов, Т. П. Савчук, А. В. Кузьмин, А. В. Трегубов, Е. Н. Шабаева, Е. С. Журина, Л. С. Волкова, С. В. Дубков, Д. В. Козлов, Д. Громов The Composite TiO2–CuOx Layers Formed by Electrophoretic Method for CO2 Gas Photoreduction Nanomaterials, 13(14), 2030 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13142030

5. А.М. Тарасов, Л.И. Сорокина, Д.А. Дронова, О. Воловликова, А.Ю. Трифонов, С.С. Ицков, А.В. Трегубов, Е.Н. Шабаева, Е.С. Журина,С. В. Дубков, Д. В. Козлов, Д. Громов Influence of the Structure of Hydrothermal-Synthesized TiO2 Nanowires Formed by Annealing on the Photocatalytic Reduction of CO2 in H2O Vapor Nanomaterials, 14, 16, 1370 (год публикации - 2024)
10.3390/nano14161370

6. Кружалина М.Д., Тарасов А.М., Дронова Д.А., Волкова Л.С., Трегубов А.В., Журина Е.С., Шабаева Е.Н., Дубков С.В., Громов Д.Г. Гидротермальный синтез композитных наноструктур TiO2/SrTiO3 для применения в фотокатализе Известия высших учебных заведений. Электроника (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
- Была разработана методика изготовления поляризованных каталитических слоев на основе сегнетоэлектрического нитевидного титаната бария на титановой подложке методом подачи электрического поля высокой напряжённости. Была проведена оценка влияния остаточной поляризации на выход продуктов и фотокаталитическую активность сегнетоэлектрического нитевидного титаната бария при реализации каталитической реакции восстановления влажного углекислого газа. Было проведено сравнения фотокаталитической активности нитевидных нанокристаллов (НН) BaTiO3 и TiO2 на основе данных по кинетике и объема выхода продуктов реакции восстановления влажного углекислого газа и было выявлено, что оба материала демонстрируют примерно одинаковый выход, однако при длительном процесса проведения фотокаталитических процессов поляризованный BaTiO3 превосходит TiO2. - Была разработана методика изготовления гетерофазных композиционных материалов диоксид титана-оксид меди и исследованы характеристики композиционных материалов. Был выявлен оптимальный состава композита TiO2/CuOx с 10 масс. % CuOx. Исследована фотокаталитическая активность в зависимости от влажности и температуры процесса. Было обнаружено, что выход метанола уменьшается с увеличением температуры реактора от 40 С до температуры выше 100 С для образцов CuOx, и TiO2 НН/CuOx. А для образца с TiO2 НН выход метанола напротив увеличивался при достижении температуры до 100 С и затем снижается. Наиболее высокий выход метанола, равный 0,8 мкмоль/г·час, был обнаружен у композита TiO2 НН/CuOx при температуре реактора 40 °С. - Выявлены особенности комбинированного воздействия напряженности электрического поля, электромагнитного излучения и температуры на относительный выход продуктов конверсии диоксида углерода на гетероструктуре Ag-Nb-N-O/TiO2-НН Установлено, что при подачи напряжения 100 В на структуру Ag-Nb-N-O/TiO2-НН увеличило эффективность выхода метанола примерно на 30 %, а 200 В - на 60% при облучении полным спектром и температуре реактора 100 °С. Установлены оптимальные параметры процесса восстановления влажного диоксида углерода с точки зрения формы нанокристаллов, состава композиционного материала, температуры, влажности. Образец на основе TiO2 НН, отожженный при температуре 500 °С, продемонстрировал наиболее высокую фотокаталитиенскую активность по сравнению TiO2 НН, отожженных при других температурах, за счет наиболее оптимальному сочетанию степени кристалличности, площади поверхности и наличием гетерофазного перехода. Оптимальными параметрами процесса для фотовосстановления CO2 в парах H2O с помощью образцов на основе TiO2 были при температуре реактора 100 С и влажности 60 %. - Представлены результаты моделирования адсорбции комбинации газов при различной температуре процесса на поверхности полупроводниковых нанокристаллов и модельные свойства полупроводниковых материалов, в частности на подвижность носителей заряда и проводимость диоксид титана с размером кристаллитов 20 нм. Адсорбция CO2, CO и O2 увеличивала сопротивление TiO2, однако с ростом температуры сопротивление снижалось из-за термоактивированных прыжков носителей и уменьшения адсорбции молекул. Для H2 и H2O наблюдалось снижение сопротивления, связанное со снижением барьеров, однако при повышении температуры оно вновь увеличивалось из-за уменьшения концентрации адсорбированных молекул. - Получены вольт-амперные характеристики фотокаталитического материала диоксид титана в зависимости от газовой атмосферы, температуры и электромагнитного излучения. Получены результаты изменения электрического сопротивления и фотоотклика слоя TiO2 в атмосфере СО2 и O2 при температурах от 30 до 120 С в результате периодического воздействия УФ светом. Установлено, что снижение сопротивления TiO2, особенно после УФ-обработки, значительно увеличивает фотоотклик. В атмосфере CO2 разница в фотоотклике между обработанными и необработанными образцами достигает шести порядков, тогда как в O2 — менее одного порядка. - Предложена лабораторная “зеленая” технология конверсии диоксида углерода на основе синергии формы нанокристалла и воздействия электрического поля, электромагнитного излучения и температуры с использованием выбранных фотокаталитических материалов на основе оксидных полупроводников. Технология основана на восстановлении CO2 до метанола, ацетальдегида и ацетона в терморегулируемом проточном реакторе с использованием фотокатализатора, активируемого солнечным светом. Продукты реакции охлаждаются и конденсируются элементом Пельтье, питаемым солнечной батареей, что делает процесс экологичным и энергоэффективным. Разработана, простая и дешевая технология формирования нитевидных нанокристаллов BaTiO3 и TiO2 гидротермальным методом, которые продемонстрировали повышенную фотокаталитическую активность. Проведен анализ эффективности фотокатализаторов (TiO2 НН, TiO2 НН-CuOx, BaTiO3, Ag-Nb-N-O/TiO2), определены их преимущества и оптимальные условия фотокатализа для использования их в лабораторной "зеленой" технологии конверсии CO2. - Представлены рекомендации по практическому применению полученных результатов проекта. Эффективность фотокаталитических процессов определяется рядом особенностей фотокаталитического материала, если он на основе TiO2, таких как: кристаллическая структура; форма и размер. Результаты исследований в рамках данного проекта показали, что нитевидные нанокристаллы (1D) имеют преимущества перед порошковой формой в виде наночастиц (0D) в плане фотокаталитической активности, несмотря на то, что удельная поверхность формы в виде наночастиц выше, чем, нитевидной. Очевидно, эта ситуация обусловлена различной дефектностью, плотностью поверхностных состояний, что сказывается на подвижности носителей заряда и их рекомбинации, а также числом адсорбционных мест на единице площади поверхности. Для эффективного протекания фотокаталитических реакций восстановления СО2 на поверхности полупроводниковых материалов необходимо нахождение оптимума сразу нескольких параметров. Было продемонстрировано влияние таких факторов как облучение поверхности образца светом, температура, состав газовой атмосферы и напряженность электрического поля. Было По итогам 2024 года в рамках проекта было принято участие во всероссийских и международных конференциях и опубликовано 10 тезисов в сборниках. Опубликованы 2 статьи в журнале Q1 и К1. А также 1 статья отправлена и одобрена в печать в журнал К1.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты данного проекта открывают перспективы для создания экологически чистых технологий переработки диоксида углерода, что способствует снижению выбросов парниковых газов и улучшению экологической ситуации. Продукты, образованные в результате фотокаталитической реакции могут быть использованы в химической промышленности для производства топлив, растворителей и полимеров, что увеличивает их доступность и снижает зависимость от ископаемого сырья. Разработка и внедрение таких технологий стимулируют научно-технологический прогресс, формируя заделы для экономического роста и перехода к углеродно-нейтральной экономике. В социальной сфере проект способствует созданию новых рабочих мест и повышению экологической осведомленности, что способствует устойчивому развитию Российской Федерации.