Advanced Materials and Devices: Разработан экологически чистый фотокатализатор

Исследователи из Университета Йоханнесбурга разработали новый тип фотокатализатора, использующего видимую часть спектра солнечного света.

В настоящее время экономичные и экологически чистые фотокатализаторы «используют» только ультрафиолетовый спектр солнечного света, например, широко применяемый диоксид титана и другие близкие к нему аналоги.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Science: Advanced Materials and Devices.

Фотокатализатор является первым трехкомпонентным фотокатализатором с такими специфическими фотокаталитическими свойствами. Он почти на 90% состоит из экономичных готовых компонентов и достаточно прост для масштабного производства в лабораториях с ограниченными ресурсами.

В других исследованиях был описан фотокатализатор, содержащий благородный металл палладий (Pd), который также «использует» видимый спектр солнечного света.

В отличие от этого фотокатализатора в данной работе для приготовления третьего компонента — наноматериала, известного как MXene, — используется небольшое количество карбида ниобия — минорного переходного металла.

Карбид ниобия MXene используется в широком спектре фотокаталитических приложений, таких как производство водорода и превращение углекислого газа в ценные продукты.

В виде порошка фотокатализатор также чрезвычайно стабилен при высоких температурах, влажности и химических изменениях.

Проблема с фотокатализаторами

Снижение энергопотребления в крупных промышленных процессах может оказаться непростой задачей. Но что, если большую часть потребляемой электроэнергии можно «отвоевать» у солнца?

Фотокатализаторы могут «включаться» под действием солнечного и других видов света. При этом они могут на порядки ускорить химические процессы. Такие катализаторы могут найти применение в различных отраслях энергетики и экологии.

Однако здесь есть одна загвоздка. В настоящее время высокоэффективные фотокатализаторы, как правило, очень дороги. Кроме того, их сложно и даже опасно производить.

Основной составляющей стоимости фотокатализаторов могут быть металлы, такие как платина, палладий или золото. Использование металлов в фотокатализаторах нежелательно и с экологической точки зрения.

Еще одна проблема заключается в том, что большинство существующих фотокатализаторов «включаются» в основном при воздействии ультрафиолетового излучения, которое составляет лишь 5% энергии солнечного света, достигающего поверхности Земли.

В то же время видимый свет составляет 45% доступной энергии солнечного света, а ближний инфракрасный — оставшиеся 50%.

Добавление трети спектра видимого света

По словам профессора Лангелихле (Нсика) Дламини, фотокатализатор, разработанный и испытанный исследователями, использует примерно треть спектра видимого света. Дламини является научным сотрудником кафедры химической науки Университета Южной Африки.

Если говорить в цифрах, то ультрафиолетовый спектр (УФ) имеет более короткие длины волн (высокоэнергетические) — от 200 до 400 нанометров. Видимый солнечный свет имеет более длинные волны (низкая энергия) — от 400 до 700 нанометров.

Фиолетово-сине-голубо-зеленая часть видимого солнечного света, расположенная рядом с ультрафиолетовым излучением, — это то, на что реагирует фотокатализатор исследователей UJ. Эта низкоэнергетическая часть видимого света и «включает» фотокатализатор для начала химических реакций.

Фотокатализатор возбуждается и имеет низкую скорость нежелательной рекомбинации электронов и дырок в диапазоне длин волн 420-520 нанометров. Это объясняется уникальным структурным дизайном интегрированных материалов, — говорит Дламини.

Это означает, что фотокатализатор, в зависимости от его эффективности, может реагировать на дополнительные 15% доступной солнечной энергии для инициирования химических процессов.

Первый экономичный и стабильный фотокатализатор видимого спектра

По словам аспиранта Коллена Маколы, данное исследование является первым для экономичного фотокатализатора, не содержащего благородных металлов.

Эффективность любого фотокатализатора можно определить, оценив его способность преобразовывать солнечную и/или световую энергию в химическую. Этот показатель известен как эффективность фотохимического превращения, обозначаемая mu.

Наш фотокатализатор (mu = 4,86%) превосходит трехкомпонентный фотокатализатор (mu = 1,81%), о котором говорилось в журнальной статье в 2017 году. Этот фотокатализатор состоял из серебра, сульфида кадмия и оксида цинка, — говорит Макола.

В ходе температурных испытаний исследователи обнаружили, что фотокатализатор чрезвычайно стабилен при температуре до 500 градусов Цельсия. Также была подтверждена стабильность в воде с различными уровнями pH — от pH 1 до pH 14.

Кроме того, полученный фотокатализатор равномерно диспергируется в воде, что является дополнительным преимуществом для фотокаталитических применений.

Трехкомпонентный, практически безметалловый

Чтобы получить фотокатализатор с такими характеристиками, исследователи объединили три «ингредиента» для окончательной конструкции фотокатализатора.

Во-первых, около 89% основной массы фотокатализатора в виде порошка составляет графитовый углерод, говорит Дламини.

Графитовый углерод «возбуждается» или „включается“ под действием ультрафиолетового света в диапазоне длин волн от 200 до 400 нанометров. При этом образуются свободные электроны, которые затем могут инициировать различные химические процессы.

Этот ингредиент был получен исследователями в одной из лабораторий UJ.

Второй ингредиент составляет около 10% от конечной массы. Это каликсарен, в данном случае молекула чашеобразной формы.

Мы включили каликсарен, чтобы фотокатализатор мог «ловить» и расщеплять нежелательные органические молекулы, такие как средства личной гигиены, фармацевтические препараты и их метаболиты, а также другие вещества, содержащиеся в городских сточных водах». Каликсарены уже несколько десятилетий используются в фармацевтических препаратах, — добавляет Дламини.

Исследователи приобрели готовый каликсарен и затем модифицировали его.

Третьим компонентом является MXene.

Основная функция MXene заключается в том, чтобы предотвратить рекомбинацию фотогенерированных электронов из графитового нитрида углерода с положительно заряженными элементами (дырками) под воздействием видимого света, — говорит Макола.

MXene составляет около 1% от конечной массы. Он содержит углерод и небольшое количество ниобия, относительно недорогого металла.

И каликсарен, и MXene способствовали смещению поглощения света в видимую область солнечного спектра, — говорит Макола.

Универсальность и множество применений

По своей природе экономичный фотокатализатор имеет значительный потенциал для многочисленных промышленных применений, где солнечный или электрический свет доступен для облегчения химических процессов, говорит Дламини. Это может быть как очистка воды для массового потребления, так и стерилизация помещений для выращивания растений, медицинских учреждений и т.д.

В настоящее время исследователи проверяют способность фотокатализатора расщеплять органические загрязнители и остатки фармацевтических препаратов в реальных образцах сточных вод в лабораторных масштабах.

28.08.2023