Вопрос использования дружественных по отношению к человеку и окружающей среде технологий остро стоит во всем мире. Одним из самых современных методов очистки окружающей среды является фотокатализ. Учёный Южно-Уральского государственного университета Игорь Кривцов в коллаборации с испанским университетом Овьедо успешно работает над созданием инновационного фотокатализатора.
Что такое фотокатализ?
Фотокатализ — это ускорение химических реакций под действием света в присутствии фотокатализатора — вещества, поглощающего кванты света и использующего их энергию для взаимодействия между молекулами.
«Катализатор – это, по сути, ускоритель химической реакции. Ряд промышленно значимых каталитических реакций происходит только с катализаторами. Но для каждой реакции эффективен исключительно свой особенный катализатор, который учёные находят методом подбора для применения в промышленном производстве, т.е. под каждую реакцию надо сформировать на поверхности катализатора определенную структуру активных центров», – рассказывает Игорь Кривцов.
Фотокаталитическое разрушение вещества применяют в случаях, когда традиционные средства очистки не помогают, в частности, при уничтожении пестицидов, отходов промышленных предприятий, обезжиривающих агентов, отработанных масел, производных фенола и хлорбензола, акрилонитрила, цианида или искусственных красителей.
.png)
Очистка воды фотокатализом
Основную роль в процессе расщепления веществ на поверхности фотокатализатора под действием света играет образование свободных носителей заряда – электронов и «дырок» при облучении поверхности фотокатализатора светом. Пара «электрон – дырка» является сильным окислителем. Катализатор удерживает на поверхности органический субстрат и, в зависимости от своей структуры, разлагает его полностью до углекислого газа и воды (веществ, которые составляют основу, например, выдыхаемого нами воздуха) или осуществляет селективное окисление до необходимого целевого продукта. Игорь Кривцов работает над проблемой применения фотокатализаторов для получения промышленно значимых веществ.
«Есть реакции, которые вообще не идут без катализатора, или идут настолько слабо, что мы этого не замечаем. Нам удалось найти условия, при которых формируется нужное расположение активных центров, так называемый сайт, где молекулы направленно с большим выходом окисляются, образуя нужные вещества. Существующие коммерческие аналоги дают 10-15% нужного продукта (остальное – примеси), у нас получилось создать катализатор, который дает 60-70%», – поясняет Игорь Владимирович.
Нитрид углерода – новый эффективный катализатор
Учёные расширяют круг материалов, используемых для фотокатализа. Наличие фотокаталитических свойств различных материалов обусловлены особенностями их молекулярной структуры, а именно существованием в них валентной зоны проводимости. В основном фотоактивными материалами являются оксиды переходных металлов, являющиеся полупроводниками.
«Помимо металлоксидных катализаторов (на основе диоксидов титана и циркония, оксидов иттрия и лантана), мы изучаем новые материалы на основе нитрида углерода, которые показали очень хороший результат», – делится Игорь Кривцов.
В данный момент российский ученый ведёт исследования совместно с командой университета Овьедо (Испания), а также в лабораториях г. Гренобль (Франция), г. Палермо (Италия) и других. Результаты исследований, полученные международной командой испытателей, опубликованы в высокорейтинговых научных журналах “Applied Catalysis B: Environmental”, “Journal of Hazardous Materials”, “Green Chemistry”, входящих в Топ 10% Scopus.
Катализаторы – энергия будущего
В настоящее время учёные Южно-Уральского государственного университета работают над катализаторами, которые потенциально могут разлагать воду на водород и кислород. Уже есть определенные результаты, но эффективность таких катализаторов пока не очень высока.
«На мой взгляд, сейчас мир стоит на пороге открытия таких катализаторов, которые будут разлагать воду на водород и кислород с низкими затратами. В этом случае энергетика будет экологически чистой – водородной – и нефть станет не нужна. Та страна, которая разработает такие катализаторы первой, будет мировым экономическим лидером. Я думаю, что лет через 5-10 появится катализатор, который позволит использовать обычную воду как топливо. И, возможно, это будет создано у нас в лаборатории», – утверждает Вячеслав Авдин, директор НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ.
