Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Фотокаталитическое окисление является передовым и ресурсосберегающим способом борьбы с имеющимися молекулярными загрязнителями воздуха, такими, как бензол. За счёт полной окислительной деструкции можно превращать даже устойчивые соединения ароматической природы до максимально безопасных, таких как вода и углекислый газ. Перспективы проведения такого процесса под действием видимого света, в идеале, солнечного, позволяют назвать его ресурсосберегающим. Использовавшиеся ранее фотокаталитические материалы были подвержены эффекту сильной дезактивации поверхности в процессе окисления паров бензола. Более того, ранее фотоактивные материалы функционировали только под действием УФ-излучения со скоростью, достаточной для заметного разрушения бензола. При реализации данного проекта усилия были направлены на синтез и исследование новых материалов, которые позволили бы проводить процесс под действием не только УФ-излучения, но и видимого света, и не проявляли такого эффекта дезактивации. В первый год выполнения проекта рассматривались системы с азот-допированным диоксидом титана, модифицированным нанесением вольфрамата висмута, во второй год выполнения проекта акцент был смещён на системы с ванадатом висмута. В начале отчётного периода были выполнены работы по синтезу чувствительного к свету видимого диапазона азот-допированного диоксида титана золь-гель методом с несколькими температурами прокаливания, что позволило получить данные о влиянии исходного фотокатализатора на получаемые композитные системы. Далее композиты, содержащие ванадат висмута, были синтезированы гидротермальным методом с учётом влияния варьируемых параметров, таких как рН среды и температура в ходе обработки. Состав полученных композитов был исследован методами рентгенофазового анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, что подтвердило формирование требуемых фаз и образование гетероструктуры из двух полупроводников. Полученные данные о текстурных, оптических и фотоэлектрохимических характеристиках дали разностороннюю информацию о взаимосвязи активности образцов в целевой реакции окисления паров бензола и физико-химических характеристик. Для наиболее активного образца был получен спектр действия и рассмотрены значения активности для его модифицированных версий: модифицирование проводилось нанесением меди, железа, никеля и платины. Показано, что нанесение меди, железа, никеля не приводит к росту активности и полноты превращения до СО2, а при модифицировании нанесением наночастиц платины можно получить заметно более активный образец. Варьированием количества наносимой платины можно добиться баланса полноты конверсии бензола до конечного продукта окисления и высокой скорости этого процесса. Помимо бензола было рассмотрено окисление циклогексана – циклического аналога бензола, не обладающего ароматической природой. Рассмотрение спектров действия композитных систем с вольфраматом висмута на диоксиде титана позволило продемонстрировать проявление эффекта фотосенсибилизации промежуточными продуктами окисления бензола, что привело к повышенной активности композитных фотокатализаторов под действием света видимого диапазона. Также композитные системы с ванадатом висмута на диоксиде титана были исследованы на предмет определения количества углеродсодержащих отложений на их поверхности сразу после исследования активности в тестовой реакции окисления бензола. Это позволило провести корреляцию между количествами отложений и активностью фотокатализаторов. Показано, что при выходе из оптимального диапазона количества наносимого на диоксид титана ванадата висмута количество отложений на поверхности снижается. Подобная закономерность иллюстрирует влияние как малой площади поверхности композитов с большим количеством ванадата, так и низкой эффективности использования падающего на поверхность фотокатализатора излучения. В качестве альтернативного подхода к увеличению площади поверхности образца, позволяющего оптимизировать распределение промежуточных продуктов окисления бензола по поверхности фотокатализатора, были рассмотрены цеолит-содержащие каталитические системы, которые были синтезированы внесением цеолита на этапе синтеза диоксида титана. Показано, что внесение 10% количества цеолита значительно улучшает текстурные характеристики, повышает количество адсорбируемого бензола и начальную скорость окисления паров бензола при рассмотрении превращений в статическом реакторе. Это позволяет смоделировать ситуацию по предотвращению последствий залпового выброса загрязняющего вещества в воздух закрытого помещения. Комплексом методов показана связь свойств синтезированных за второй год реализации проекта образцов с их фотокаталитической активностью и её стабильностью как во времени, так и при увеличении концентрации паров окисляемого бензола. Сделаны вывод о том, что ускорение процесса окисления, в основном, связано со способностью частиц соединений ванадия малого размера проводить эффективный транспорт электронов из зоны проводимости полупроводника, на который они нанесены, на кислород воздуха, тем самым создавая баланс путей расходования электронов и дырок, генерируемых в ходе фотокаталитического процесса. Оптимальным содержанием ванадата висмута на азот-допированном диоксиде титана согласно результатам исследования является 2,5% по массе. Этот факт позволяет рассматривать перспективу расширения проекта в область исследований сверхмалых количеств добавки ванадата висмута и других соединений ванадия. Проведение совместного допирования диоксида титана азотом и ванадием на этапе синтеза поспособствует дальнейшему развитию тематики - улучшению свойств и эксплуатационных качеств синтезируемых каталитических материалов. Полученные знания о природе процессов позволят значительно продвинуться в области улучшения показателей систем очистки воздуха от молекулярных микропримесей, а наработанные навыки по соотнесению фотоэлектрохимических показателей с реально демонстрируемой фотоактивностью катализаторов способствуют оптимизации дальнейших разработок фотокатализаторов.