В ПГУ нашли способ удешевить процесс фотокатализа для очистки воды и воздуха
Версия для печати
В Пензенском государственном университете готовы предложить российской промышленности использовать солнечную энергию для очистки воды и воздуха, а также в процессах «зеленого» органического синтеза, в химической, фармацевтической и биосинтетической промышленности. Ученые разработали способ получения фотокатализаторов на основе полупроводниковых гетеропереходов, модифицированных наночастицами меди. «Совместная работа» солнца и фотокатализатора позволит существенно сократить затраты на очистку сточных вод и улучшит экологическую ситуацию. Изобретение из области нанотехнологий запатентовано и готово к внедрению. Об этом сообщил ТАСС Игорь Пронин, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ.
В качестве фотокатализаторов, как правило, используют полупроводниковые материалы, в которых под действием излучения образуются электронно-дырочные пары, которые, перемещаясь к поверхности материала, могут захватываться различными молекулами и инициировать химические превращения.
Например, молекулы кислорода и воды превращаются в высокоактивные радикалы, способные разрушить органические загрязнители до безвредных веществ. В случае наличия на поверхности молекул углекислого газа и воды образуются органические вещества, которые могут служить топливом.
Промышленные образцы фотокатализаторов работают, как правило, только в ультрафиолетовой области спектра, что существенно ограничивает их использование в солнечном свете. Поскольку ультрафиолетовое излучение составляет всего 4% от солнечного, эффективность таких материалов крайне мала.
Коллективом ученых удалось сместить диапазон эффективно используемого излучения в видимую область за счет модификации гетеропереходов наночастицами меди. Последние играют роль «антенн», преобразующих излучение видимого диапазона в энергию электронов.
Один из разработчиков проекта — доктор технических наук, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Игорь Пронин рассказал, что научному коллективу удалось заменить традиционно используемые в этом виде фотокатализаторов наночастицы благородных металлов (золото, платина, палладий) на доступную и недорогую медь.
Ноу-хау позволит существенно снизить себестоимость материала и будет способствовать его широкому внедрению.
«Главная проблема плазмонных фотокатализаторов — это использование благородных металлов, достоинством которых является химическая инертность. Замена этих материалов на наночастицы недорогих металлов, таких как медь, железо, алюминий и других затруднена, поскольку последние реагируют с кислородом воздуха, превращаясь в оксиды. Разработанная нами простая одностадийная технология позволяет формировать медные наночастицы в защитной оболочке из собственного оксида. Это дало возможность получить долговечный материал, не подверженный деградации из-за воздействия внешних факторов», — поделился Игорь Пронин.
Использовать весь спектр исследователям удалось в видимом диапазоне, где подавляющая область подвержена солнечному спектру. Ученые внедрили в гетероструктуру наночастицы меди. Медь имеет свойство окисляться на открытом воздухе, от воздействия воды, щелочей, кислот. Для того, чтобы это предотвратить, научный коллектив защитили наночастицы меди собственным оксидом (CuO). Получилась структура ядро и оболочка. Оболочка выступает защитным слоем, тем самым фотокатализатор на основе меди от ученых ПГУ — долговечный и прочный.
Потенциальная область применения разработанных фотокатализаторов очень широкая. Она включает как очистку сточных вод и воздуха от различных органических загрязнителей, так и изготовление самоочищающихся, бактерицидных покрытий. Еще одна область применения — это конверсия углекислого газа в органическое топливо.
«Использование разработанного нами материала позволит решить две важные задачи: во-первых, обеспечит улавливание атмосферных полупроводниковых газов, а во-вторых — станет возможным получить на их основе полезные вещества, которые можно использовать в качестве топлива. Мы достигнем сразу две цели. Первая — улучшение экологии, вторая — доступ к неиссякаемым источникам энергии. Углекислый газ сам собой может трансформироваться в какое-либо органическое топливо, например, в бутанол, этанол, которые в последствии можно использовать в качестве топлива», — добавил Игорь Пронин.
И еще одна сфера применения — фармацевтика. Утилизировать просроченные лекарственные препараты также возможно с помощью фотокатализатора нового поколения, изобретенного в ПГУ. Лекарства будут распадаться на простые вещества под воздействием солнца — экологично, экономично и эффективно.
Исследование поддержано Советом по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации.
Разработка ученых готова к внедрению.
Над проектом трудилась коллаборация ученых из Пензенского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина) и Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета имени Ж. И. Алфёрова РАН.
