Пензенские ученые разработали фотокатализатор, очищающий воду и воздух под действием видимого света
Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) создали двухслойный фотокатализатор с уникальными свойствами. Он способен разлагать органические соединения не только под действием ультрафиолета, но и — обычного видимого света. Предложение запатентовано. Экспериментальная проверка показала, что новый фотокатализатор способен удалять до 90% органических загрязнителей, а при увеличении времени действия — до 99,9 %.
Фотокатализаторы используют для очистки воды и воздуха от органических соединений: нефтепродуктов, опасных газов и остатков лекарств. Однако чаще всего фотокатализаторы работают только под ультрафиолетовым излучением, которого в солнечном свете всего 4 %.
«Золотая мечта фотокатализа — создать материал, который будет разлагать все типы органических загрязнителей, делать это быстро и под воздействием видимого излучения, в идеале — использовать весь спектр солнечного света», — рассказала один из разработчиков способа, ведущий научный сотрудник межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ, доцент Надежда Якушова.
В классических однослойных фотокатализаторах, изготовленных на подложке, в реакции участвует только поверхность материала. Молекулы загрязнителя не добираются до нижних слоев. Главная сложность заключается в том, чтобы «заставить» работать не только верхний слой фотокатализатора, но и весь его объем.
Ученые ПГУ предложили создать фотокатализатор на основе двухслойной гетероструктуры SiO2-SnO2/ZnO:Ag с повышенной фотокаталитической активностью. Эффективным его делает именно двухслойная пористая структура. Благодаря порам молекулы загрязнителя проникают глубже и взаимодействуют с нижним слоем. Нижний слой выполнен на основе диоксида олова и диоксида кремния.
«Диоксид олова сам по себе не считается эффективным фотокатализатором. Однако в комбинации с диоксидом кремния, играющим роль каркаса, и верхним слоем на основе пористого оксида цинка, он становится эффективным», — пояснил ведущий научный сотрудник лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ, доцент Андрей Карманов.
В состав верхнего слоя исследователи включили оксид цинка и серебро. Такая комбинация обладает высокой фотокаталитической активностью. Включение серебра в состав компонентов позволяет фотокатализатору работать в широком спектре видимого света. Этот химический элемент помогает «сдвинуть» чувствительность материала и решает ряд дополнительных задач.
Исследователи создали более 100 образцов фотокатализаторов по запатентованному способу. Для синтеза использовали золь-гель технологию, позволяющую точно управлять этапами синтеза и вводить модификаторы в материал. Полученные образцы проверили на сложном загрязнителе — антибиотике ципрофлоксацине.
«Он плохо поддается разложению под действием фотокатализаторов. И его неправильная и неполная утилизация может привести к серьезным экологическим проблемам», — поделился инженер-исследователь Иван Филиппов.
Образцы опускали в раствор и облучали разными типами света: мягким и жестким ультрафиолетом, а также видимым светом. Под УФ-излучением удалось разложить до 90 % загрязнителя, под видимым — около 25 %. При увеличении времени эксперимента со 120 до 240 минут эффективность разложения возрастала до 99,9 %.
По мнению разработчиков, новый фотокатализатор может найти широкое применение при очистке воды и воздуха в промышленных и городских системах, в химической, фармацевтической и биосинтетической промышленности. Разработкой уже заинтересовалось предприятие, специализирующееся на производстве пластиковых окон — такие фотокатализаторы можно наносить на стекла, что заметно сократит затраты на клининг окон небоскребов.