Пензенские ученые создали фотокатализатор с уникальными свойствами
Исследователи Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали высокоэффективный фотокатализатор, способный разлагать сложные органические загрязнители под действием обычного солнечного света. Материал может использоваться в фотокаталитических фильтрах очистных сооружений на промышленных предприятиях, в фармацевтической промышленности для утилизации лекарственных препаратов, а также при создании самоочищающихся покрытий высотных зданий. На изобретение получен патент РФ.
Разработка фотокатализаторов на основе полупроводниковых оксидов — цинка, титана и других — считается перспективным направлением. Их уже используют для очистки воды, воздуха, стен и крыш небоскребов, в медицине. Однако основная проблема в том, что фотокатализаторы на основе этих материалов активны только при воздействии на них ультрафиолетового излучения, а при естественном освещении они работают крайне неэффективно. Поэтому ученые ищут пути создания фотокатализатор, которые будут активны при солнечном свете.
«Необходимость использования ультрафиолетового излучения связана с тем, что полупроводниковые оксиды вышеупомянутых металлов имеют большую ширину запрещенной зоны», — пояснил один из разработчиков, инженер-исследователь межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ Иван Филиппов.
Полупроводники условно можно разделить на узкозонные и широкозонные. К первым относятся кремний, германий, антимонид индия, а ко вторым диоксид олова, оксид цинка и другие. В зависимости от величины запрещенной зоны эти материалы могут обладать принципиально различными свойствами, которые обуславливают сферы их практического применения. Так, узкозонные материалы стали основой современной микро- и наноэлектроники, а широкозонные перспективны для создания чувствительных элементов газовых сенсоров, датчиков вакуума и фотокатализаторов.
Ученые ПГУ создали высокоэффективный фотокатализатор, обладающий уникальными свойствами: он активен и при воздействии ультрафиолетового излучения, и при освещении солнечным светом. Результат получили благодаря созданию фотокатализатора в виде иерархической гетероструктуры из металлооксидов с различной шириной запрещенной зоны.
«Нам удалось создать уникальную структуру, которая по ключевым параметрам превосходит все остальные. Мы совместили два подхода, которые во всем мире используют для расширения области спектра фотокатализатора. В предложенном способе мы уменьшаем ширину запрещенной зоны оксида цинка за счет его модифицирования алюминием и изготавливаем новую композитную структуру», — рассказал еще один разработчик, ведущий научный сотрудник лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ, кандидат физико-математических наук, Андрей Карманов.
С помощью методов нанотехнологии ученые создали специальный состав — пленкообразующий золь. Из него в последующем методом центрифугирования сформировали фотокатализаторы на прозрачных подложках. Золь-гель технология позволяет управлять этапами синтеза и внедрением модификаторов в исходный материал — оксид цинка, достигая нужных характеристик конечного продукта.
Ученые в лабораторных условиях проверили эффективность разработанного материала на модельном загрязнителе. В водный раствор красителя (метилового оранжевого) с концентрацией 40 мкмоль/л поместили разработанный фотокатализатор. Загрязнитель разложился за два часа на 78 % при УФ облучении, и лишь немного меньше — на 75 % — под действием видимого света. При более длительном воздействии света загрязнитель может полностью разложиться до воды, углекислого газа и продуктов минерализации.
«На основе предложенных фотокатализаторов можно создавать самоочищающиеся покрытия и антимикробные средства, очищать загрязненную промышленными стоками воду, разлагать фармацевтические препараты», — отметил Иван Филиппов.
Разработкой уже заинтересовались ведущие предприятия Пензенской области.