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 23-73-01161
НазваниеКомпозитные фотокатализаторы на основе графитоподобного нитрида углерода и диоксида титана для получения водорода из компонентов растительной биомассы под действием солнечного излучения
Руководитель Куренкова Анна Юрьевна, 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
Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ
Ключевые слова фотокатализ, получение водорода, солнечное излучение, нитрид углерода, диоксид титана, солнечная энергетика, биомасса
Код ГРНТИ31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время декарбонизации экономики и диверсификации источников энергии уделяется особое внимание. В связи с этим перспективным представляется разработка альтернативных источников энергии, например, водородной энергетики. Однако наиболее распространенные способы получения водорода – паровая конверсия метана, газификация угля и др. – требуют значительных энергетических затрат. В то же время, ежедневно на Землю поступает большое количество солнечной энергии, которая может быть использована для получения водорода. Преобразование солнечной энергии в энергию химических связей происходит в присутствии фотокатализаторов – полупроводниковых материалов, способных активироваться под действием светового излучения. Фотокаталитическое получение водорода возможно как из воды, так и из растворов или суспензий различных субстратов – в данном случае удаётся значительно расширить спектральный диапазон, в котором протекает реакция. Использование компонентов растительной биомассы в качестве субстратов позволяет получать водород только с использованием возобновляемых ресурсов – воды, солнечного света и биомассы. Еще одним преимуществом является возможность получать водород – источник энергии – в отдаленных или труднодоступных местах, без привязки к энергетической инфраструктуре.
Фотокаталитическое получение водорода происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении, что значительно снижает стоимость получаемого топлива. Однако эффективные фотокатализаторы для получения водорода из биомассы не разработаны. Широко используемым фотокатализатором является диоксид титана TiO2, но его применение ограничено процессами под действием ультрафиолетового излучения. Эффективным способом расширения спектра действия TiO2 является создание композитных фотокатализаторов на основе TiO2 и узкозонных полупроводников.
Новым перспективным материалом для фотокаталитических приложений является графитоподобный нитрид углерода g-C3N4, который благодаря своей энергетической структуре является эффективным материалом для восстановления протонов с образованием водорода под действием видимого света. Преимуществом g-C3N4 по сравнению с традиционными фотокатализаторами, активными под действием видимого излучения – халькогенидами металлов, являются отсутствие токсичности и химическая стабильность. Существенный недостаток заключается в быстрой рекомбинации фотогенерированных зарядов в немодифицированном g-C3N4.
Данный проект нацелен на решение фундаментальной проблемы – разработка фотокатализаторов на основе традиционного TiO2 и нового перспективного материала g-C3N4 для процесса получения водорода из компонентов растительной биомассы под действием солнечного излучения. Для решения поставленной задачи будут синтезированы композитные фотокатализаторы на основе g-C3N4 и TiO2; исследовано влияние сокатализаторов – платины, оксидов меди – на активность и селективность фотокатализаторов. Будет проведено исследование строения и свойств полученных материалов, сформулированы подходы к синтезу эффективных фотокатализаторов. Фотокатализаторы будут охарактеризованы комплексом методов анализа (рентгенофазовый анализ, рентгенофотоэлектронная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и др.) до и после фотокаталитической реакции, что позволит определить структуру фотокатализатора и изменения структуры, происходящие в ходе реакции.
Для определения наиболее перспективных фотокатализаторов активность полученных образцов будет исследована в процессе образования водорода из водного раствора глюкозы. Отличительной особенностью проекта является исследование активности фотокатализаторов в процессе получения водорода из нерастворимого компонента биомассы – целлюлозы. В качестве источников излучения будут использоваться светодиоды с излучением в видимом диапазоне (400-430 нм), а также уникальный источник излучения «Pico» (G2V Optics) с высокой точностью имитирующий солнечное излучение (350-1100 нм).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Сараев А.А., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Copper-modified g-C3N4/TiO2 nanostructured photocatalysts for H2 evolution from glucose aqueous solution Nanosystems: physics, chemistry, mathematics (год публикации - 2024)
2.
Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Айдаков Е.Е., Мищенко Д.Д., Герасимов Е.Ю., Сараев А.А., Журенок А.В., Ломакина В.А., Козлова Е.А.
Activation of g-C3N4 by Oxidative Treatment for Enhanced Photocatalytic H2 Evolution
Applied Surface Science, Год: 2025, Том: 698, Номер статьи : 163074, Страниц : 12, DOI: 10.1016/j.apsusc.2025.163074 (год публикации - 2025)
10.1016/j.apsusc.2025.163074
3. Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Сараев А.А., Козлова Е.А. Фотокатализаторы на основе g-C3N4/TiO2 для получения синтетических видов топлива под действием солнечного света РОСКАТАЛИЗ. V Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов (21-26 апреля 2025 г., Санкт-Петербург, Россия) (год публикации - 2025)
4. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Фотокатализаторы на основе окисленного g-C3N4 для получения H2 Сборник тезисов XXV Международная научно-практическая конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке». (год публикации - 2025)
5. Харина С.Н. , Куренкова А. , Козлова Е. Синтез и исследование фотокатализаторов на основе TiO2 для получения водорода из компонентов растительной биомассы Научно-практическая конференция «Малотоннажная химия: Разработки, производство, аналитический контроль»: Сборник тезисов. (год публикации - 2024)
6. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Modified Graphitic Carbon Nitride-Based Composites as Photocatalysts for Hydrogen Production under Visible Light XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts (год публикации - 2024)
7. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Platinum-Modified g-C3N4/TiO2 Photocatalysts for H2 Evolution from Glucose Aqueous Solutions Catalysis: from science to industry: Proceedings of VII International scientific schoolconference for young scientists “Catalysis: from science to industry” (год публикации - 2024)
8. Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Сараев А.А., Козлова Е.А. A Novel Approach for Synthesis of Pt/g-C3N4 Photocatalysts for Solar Energy Conversion Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials, III International Conference, Abstracts (год публикации - 2024)
9.
Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Айдаков Е.Е., Козлова Е.А.
Hydrogen Production from Aqueous Glucose Solutions over g-C3N4/Pt/TiO2 Photocatalysts
Kinetics and Catalysis , Год: 2024, Том: 65, Номер: 6, Страницы: 703-709, Страниц : 7, DOI: 10.1134/S0023158424602353 (год публикации - 2024)
10.1134/S0023158424602353
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения второго этапа проекта были синтезированы и исследованы в реакции получения водорода под действием видимого/солнечного излучения фотокатализаторы на основе g-C3N4/TiO2, модифицированные Pt либо CuOx. Дополнительно был разработан новый метод окислительной обработки порошка g-C3N4, позволяющий значительно повысить активность фотокатализаторов на его основе.
Фотокатализаторы на основе g-C3N4/ TiO2 были синтезированы с использованием образцов TiO2, приготовленных методом осаждения из водного раствора изопропоксида титана с последующим гидротермальным синтезом и затем прокаливанием полученного осадка (метод 2) или прокаливанием осадка без предварительной гидротермальной обработки (метод 1). При использовании каждого подхода варьировали температуру прокаливания осадка – 450 или 550 °С. Предварительные тесты фотокаталитической активности синтезированных образцов TiO2, модифицированных платиной, в реакции выделения водорода из водного раствора этанола под действием УФ-излучения (380 нм) позволили установить, что в случае обоих методов синтеза наиболее высокой активностью обладают фотокатализаторы на основе TiO2, прокаленных при 550 °С. Несколько большей активностью обладает образец TiO2, синтезированный по методу 1 (образец 1-550) и содержащий также фазу рутила, что, вероятно, вызвано формированием гетеропереходов между фазами анатаза и рутила. Формирование гетеропереходов способствуют увеличению времени жизни фотогенерированных зарядов за счет их пространственного разделения. Платинированные фотокатализаторы g-C3N4/TiO2 на основе данного образца TiO2 (1-550) показали активность в реакции выделения водорода из водного раствора глюкозы под действием видимого излучения (440 нм), равную 161 мкмоль·ч-1·г-1, в то время как фотокатализатор Pt/g-C3N4/TiO2 на основе TiO2, синтезированного по методу 2 и прокаленного при 550 °С (образец 2-550), не демонстрировал активность в данных условиях. Активность фотокатализатора Pt/g-C3N4/TiO2 на основе TiO2 (1-550) в реакции выделения водорода под действием солнечного излучения из водного раствора глюкозы и водной суспензии целлюлозы составила 408 и 120 мкмоль·ч-1·г-1, соответственно.
В рамках данного проекта предложен и исследован метод гидротермальной обработки порошка g-C3N4 в растворе H2O2. Для последующего тестирования активности фотокатализаторов в реакции получения водорода на поверхность синтезированных образцов (CNO) были нанесены частицы платины (1 масс. %). Максимальную активность, равную 310 мкмоль·ч-1·г-1, показал фотокатализатор на основе g-C3N4, обработанного в растворе H2O2 при 140 °С (Pt/CNO-140). Комплексом физико-химических методов исследования (РФА, РФЭС и ИК-спектроскопия) установлено, что гидротермальная обработка в растворе H2O2 приводит к частичному разрушению структуры и образованию новых кислородсодержащих функциональных групп (=O, -OH, -COOH) на поверхности g-C3N4 за счет окислительного действия H2O2. Более того, разработанный подход к модификации g-C3N4 приводит к осаждению частиц Pt с определенной конфигурацией, где объемные частицы металла окружены отдельными атомами, и данная структура остается стабильной в ходе фотокаталитической реакции. Стоит отметить, что простой метод обработки g-C3N4 в растворе H2O2 позволяет «настраивать» сразу несколько ключевых параметров фотокатализатора, что приводит к существенному повышению скорости реакции.
Таким образом, в рамках выполнения 2 этапа проекта были исследованы различные подходы к созданию фотокатализаторов на основе TiO2, синтезированного из изопропоксида титана, и g-C3N4 для получения водорода из компонентов растительной биомассы (глюкозы и целлюлозы) под действием видимого/солнечного излучения. Показано, что фотокатализаторы на основе g-C3N4 обладают достаточно низкой активностью в данном процессе, и для повышения активности требуется либо создание композитных материалов g-C3N4/TiO2 с высоким содержанием TiO2, либо окисление поверхности g-C3N4, сопровождающееся образованием новых кислородсодержащих функциональных групп (=O, -OH, -COOH).
По результатам проекта во время выполнения второго этапа опубликованы 2 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Scopus/WoS/РИНЦ, один из которых относится к уровню Q1. Кроме того, результаты выполнения проекта представлены на 3 международных конференциях и российскому конгрессу по катализу, а также в СМИ.
1. Пресс-служба РНФ: "Обработка перекисью позволила использовать катализатор для синтеза водорода из растительного сырья"
https://rscf.ru/news/release/obrabotka-perekisyu-pozvolila-ispolzovat-katalizator-dlya-sinteza-vodoroda-iz-rastitelnogo-syrya/
2. РИА новости: "В России смогли получить чистое топливо с помощью Солнца"
https://ria.ru/20250422/nauka-2012568278.html
Публикации
1. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Сараев А.А., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Copper-modified g-C3N4/TiO2 nanostructured photocatalysts for H2 evolution from glucose aqueous solution Nanosystems: physics, chemistry, mathematics (год публикации - 2024)
2.
Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Айдаков Е.Е., Мищенко Д.Д., Герасимов Е.Ю., Сараев А.А., Журенок А.В., Ломакина В.А., Козлова Е.А.
Activation of g-C3N4 by Oxidative Treatment for Enhanced Photocatalytic H2 Evolution
Applied Surface Science, Год: 2025, Том: 698, Номер статьи : 163074, Страниц : 12, DOI: 10.1016/j.apsusc.2025.163074 (год публикации - 2025)
10.1016/j.apsusc.2025.163074
3. Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Сараев А.А., Козлова Е.А. Фотокатализаторы на основе g-C3N4/TiO2 для получения синтетических видов топлива под действием солнечного света РОСКАТАЛИЗ. V Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов (21-26 апреля 2025 г., Санкт-Петербург, Россия) (год публикации - 2025)
4. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Фотокатализаторы на основе окисленного g-C3N4 для получения H2 Сборник тезисов XXV Международная научно-практическая конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке». (год публикации - 2025)
5. Харина С.Н. , Куренкова А. , Козлова Е. Синтез и исследование фотокатализаторов на основе TiO2 для получения водорода из компонентов растительной биомассы Научно-практическая конференция «Малотоннажная химия: Разработки, производство, аналитический контроль»: Сборник тезисов. (год публикации - 2024)
6. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Modified Graphitic Carbon Nitride-Based Composites as Photocatalysts for Hydrogen Production under Visible Light XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts (год публикации - 2024)
7. Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Platinum-Modified g-C3N4/TiO2 Photocatalysts for H2 Evolution from Glucose Aqueous Solutions Catalysis: from science to industry: Proceedings of VII International scientific schoolconference for young scientists “Catalysis: from science to industry” (год публикации - 2024)
8. Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Сараев А.А., Козлова Е.А. A Novel Approach for Synthesis of Pt/g-C3N4 Photocatalysts for Solar Energy Conversion Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials, III International Conference, Abstracts (год публикации - 2024)
9.
Куренкова А.Ю., Харина С.Н., Айдаков Е.Е., Козлова Е.А.
Hydrogen Production from Aqueous Glucose Solutions over g-C3N4/Pt/TiO2 Photocatalysts
Kinetics and Catalysis , Год: 2024, Том: 65, Номер: 6, Страницы: 703-709, Страниц : 7, DOI: 10.1134/S0023158424602353 (год публикации - 2024)
10.1134/S0023158424602353