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 25-13-00259
НазваниеПлазменно-растворный синтез как метод создания новых наногетероструктурных фотокатализаторов для охраны окружающей среды
Руководитель Агафонов Александр Викторович, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук , Ивановская обл
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова Фотокатализ, плазмохимия, подводный плазменный разряд, растворные методы, синтез наночастиц, фотокатализаторы с гетеропереходами, фотодеструкция органических загрязнителей, восстановление CO2.
Код ГРНТИ31.01.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Интенсивное развитие промышленности и транспорта привело к значительному увеличению выбросов токсичных соединений, влияющих на экологию и климат. Для решения этих проблем важна разработка технологий, использующих солнечную энергию для фотокаталитической очистки сточных вод и очистки воздуха. Решение этих проблем требует разработки новых подходов для получения высокоэффективных фотокатализаторов и управления их фотокаталитической активностью. На сегодняшний день в мире ведутся разработки и опубликованы экспериментально и теоретически обоснованные методы получения фотокатализаторов восстановления CO2 и разложения органических и неорганических загрязнителей. Эти методы предлагают при конструировании фотокатализаторов легирование наночастиц базового полупроводника ионами металлов и неметаллов, осаждение на поверхности ионов благородных металлов, изготовление гетероструктур с использованием материалов с различной шириной запрещенной зоны или краев зон, и фотокатализа, основанного на гетеропереходах. В предлагаемом проекте будет использован новый метод получения наногетероструктур в одностадийном плазмохимическом синтезе с помощью подводного импульсного разряда, горящего между металлическими электродами различных типов, а также легирования нанодисперсных полупроводниковых частиц различными элементами путем воздействия на золи полупроводников, полученных с применением растворных методов (золь-гель технология, соосаждение, гидротермальный синтез) подводного плазменного разряда. В качестве металлических электродов предполагается использование Fe, Ti, Nb, Cu, Mo и W. Гетероструктуры будут получены под воздействием растворной плазмы при использовании электродной схемы с двумя или тремя различными электродами. Будут выявлены закономерности влияния легирования нестехоиметрических оксидов, эффекты модификации фотокатализатора сокатализатором, разработана морфологическая инженерия поверхности и регулирование интерфейса при получении гетероструктур при плазмохимическом синтезе. Это позволит впервые в одностадийном процессе получать C3N4 различных модификаций, а также гетероструктурированные материалы на основе нитрида углерода по типу TiO2/g-C3N4. Развиваемый подход значительно отличается от других методов получения материалов с использованием разрядной плазмы, например от плазменно-электролитического окисления, так как в предлагаемом подходе композиты могут быть получены в одностадийном процессе в одном реакторе без предварительного синтеза прекурсоров. Будут получены уникальные фотокаталитические оксидные наногетероструктуры подобные TiO2/Nb2O5/WO3, с помощью двойного импульсного подводного разряда, инициируемого от двух независимых источников постоянного тока. Будут разработаны подходы для регулирования состава образующихся многокомпонентных гетероструктурных наночастиц оксидов путем изменения тока разряда между одним из анодов и общим катодом. Впервые низкотемпературная растворная плазма будет применена для разрушения модельных загрязнителей (органических красителей различной структуры) путем инициирования подводного разряда непосредственно в загрязненных сточных водах. Будет проведено исследование физико-химических свойств полученных соединений и механизма их действия при разложении органических загрязнителей.
Ожидаемые результаты
Проект направлен на разработку новых, пригодных к практической реализации высокоэффективных методов получения гетероструктурных фотокаталитических материалов на основе нестехиометрических оксидов с формированием внутренних гетеропереходов для усиления фотокаталитической активности. Такие гетероструктуры представляют большой интерес для индустрии фотокатализаторов. Их получению в последние 2-3 года посвящен ряд статей в ведущих мировых научных журналах (Nature, Nature Nanotechnology, Nature Materials, JACS, и др.), что свидетельствует о крайне высокой актуальности решения данной проблемы.
В результате выполнения проекта мы планируем впервые в мировой научной практике реализовать комплекс подходов для управления фотокаталитической активностью наноматериалов, включая новые подходы за счет формирования высокоразвитой градиентной структуры в гетероматериалах вследствие воздействия подводного плазмохимического разряда при синтезе и модификации фотокатализаторов. Использование методов компьютерного моделирования обеспечит большую гибкость создания высокопроизводительных фотокатализаторов в виде гетероструктур с внутренними электрическими полями благодаря пониманию динамики переноса заряда. Проект охватывает самые современные, наиболее перспективные, привлекательные для массового производства подходы получения высокоэффективных фотокатализаторов. Применение новых методов синтеза и активации носителей, разработка методов получения гетероструктур и изучение их фотокаталитической активности, соответствуют передовому мировому уровню исследований. Задачи, решаемые в данном проекте, включают синтез катализаторов, дизайн гетероструктур, оценку параметров, способствующих поглощению световой энергии, морфологических, адсорбционных характеристик наноматериалов, фотокаталитических, и кинетических характеристик каталитических процессов, протекающих под воздействием видимого и ультрафиолетового излучения. Полученные в результате реализации проекта знания послужат основой для разработки экономичных, осуществимых и стабильных крупномасштабных методов приготовления и активации фотокатализаторов, что является ключом к реализации промышленного применения фотокаталитических систем. Предлагаемые в проекте методы носят универсальный характер и могут быть применимыми к любым типам фотокатализаторов и фотокаталитических процессов. Они легко масштабируются, автоматизируются, являются экономичными и применимыми к массовому производству фотокатализаторов. Исследования, проводимые в рамках проекта, тесно связаны с различными конкретными направлениями, требующимися экономике РФ: экологически чистая энергетика, синтез и дизайн полупроводников, исследование фотокаталитической эффективности, управление структурой материалов, применение методов плазмохимии и высокоэнергетических воздействий для создания материалов. Это исследование будет способствовать развитию новых технологий и повышению уровня знаний в каждой из упомянутых областей. Будет внесен значительный вклад в развитие нанотехнологий для энергетики и защиты окружающей среды.
Детально: будут отработаны новые приемы синтеза фотокаталитически активных наногетероструктур с применением подводной низкотемпературной плазмы с использованием многоэлектродной схемы зажигания подводного импульсного и диафрагменного (торцевого) разрядов.
- Будет реализована стратегия обработки суспензий наноматериалов, полученных с помощью методов химии растворов (соосаждение, золь-гель технология, гидротермальный синтез) плазмохимическим методом с целью получения наногетероструктур.
- Будет охарактеризована морфология и дисперсность полученных гетероструктур (с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии), и определен их химический состав (по данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии). Будут получены новые данные о зависимости свойств полученных нестехиометрических оксидов и наногетероструктур от условий синтеза (параметров плазмы, температуры, состава раствора). Будет изучена удельная поверхность, формирующаяся при синтезе, смещение края поглощения света, оценено изменение скорости фотокаталитического действия при переходе от индивидуальных оксидов к гетероструктурам, кажущаяся квантовая эффективность. Будет проведено исследование физико-химических свойств полученных соединений и механизма их действия при разложении модельных органических загрязненителей. Будут получены данные о ширине запрещенной зоны и диапазоне спектральной фотоактивности гетероструктур. Полученные результаты будут дополнены данными моделирования целевых фотокатализаторов с легированием или без него, будут исследованы с помощью расчета теории функционала плотности (DFT). По оценкам работы выхода и разности плотностей зарядов будет установлено наличие в системе встроенного электрического поля, которое способствует разделению фотогенерированных электронно-дырочных пар. Сила встроенного электрического поля будет оценена путем анализа заряда Бадера и напряженности электрического поля.
- Будут разработаны рекомендации по практическому применению полученных результатов.
Для успешного выполнения проекта есть все необходимые предпосылки: комплиментарность выбранных направлений исследования, полное соответствие предлагаемых методов и подходов задачам проекта, наличие всего необходимого оборудования в ИХР РАН, хорошая квалификация и опыт работы в области растворного синтеза и плазмохимии в растворах у участников проекта, имеющийся серьезный задел.