Исследователи из Йоханнесбургского университета (ЮАР) разработали новый тип фотокатализатора, который использует видимую часть спектра солнечного света, но при этом настолько же экономичен и экологически чист, как передовые фотокатализаторы, ориентированные на ульрафиолетовый спектр. Об этом сообщает сайт Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Фотокатализатор, разработанный исследователями ЮАР, стал первым трехкомпонентным устройством со столь специфическими фотокаталитическими свойствами. Он почти на 90% состоит из экономичных готовых ингредиентов и достаточно прост, чтобы производить его в больших масштабах в лабораториях с ограниченными ресурсами. В прежних исследованиях был описан фотокатализатор, содержащий дорогостоящий и дефицитный благородный металл палладий (Pd), который ориентирован видимый спектр солнечного света.
Новая разработка использует лишь небольшие количества карбида переходного металла (ниобия) для приготовления ключевого компонента – наноматериала, известного как MXene и применяемого в широком спектре фотокаталитических технологий, таких как производство водорода и преобразование углекислого газа в ценные продукты. В форме порошка этот материал чрезвычайно стабилен при высоких температурах, влажности и химических воздействиях.
В настоящее время высокоэффективные фотокатализаторы имеют тенденцию быть очень дорогими, а их изготовление – сложный и нередко даже опасный процесс. Основным компонентом стоимости фотокатализаторов могут быть такие металлы, как платина, палладий или золото. Использование иных металлов в фотокатализаторах признано нежелательным с экологической точки зрения.
Помимо этого, современные передовые фотокатализаторы имеют тенденцию «включаться» в основном под воздействием ультрафиолетового излучения, которое составляет лишь 5% энергии солнечного света, достигающей поверхности Земли (видимый свет составляет 45% доступной солнечной световой энергии, а ближний инфракрасный – оставшиеся 50%).
Фотокатализатор, который разработали исследователи в ЮАР и протестировали специалисты факультета химических наук Университета штата Джорджия в США, способен эффективно использовать около трети спектра видимого света, отметил профессор Лангелихле (Нсика) Дламини, один из ведущих разработчиков.
Следует также учесть, что ультрафиолетовый спектр имеет более короткие волны (высокая энергия) в диапазоне от 200 до 400 нанометров. Видимый солнечный свет имеет более длинные волны (низкую энергию) от 400 до 700 нанометров. Фиолетово-сине-голубо-зеленая часть видимого спектра (та, что ближе к диапазону ультрафиолетового света) – это то, на что реагирует фотокатализатор исследователей из Йоханнесбурга, и «включает» его для инициирования химических реакций.
Эффективность любого фотокатализатора можно измерить, оценив его способность преобразовывать солнечную и/или световую энергию в химическую энергию. Это принято именовать «эффективностью фотохимического взаимодействия» (обозначается как «mu»).
«Наш фотокатализатор (mu = 4,86%) превосходит лучший трехкомпонентный фотокатализатор (mu = 1,81%) из описанных прежде, который состоял из серебра, сульфида кадмия и оксида цинка», – отметил Колин Макола, один из соавторов нового исследования.
В ходе температурных испытаний исследователи обнаружили, что фотокатализатор чрезвычайно стабилен, выдерживая до 500 градусов Цельсия. Также была подтверждена стабильность в воде с различными уровнями pH – в диапазоне от 1 до 14. Кроме того, приготовленный фотокаталитический материал равномерно диспергируется в воде, что является дополнительным преимуществом для практических применений.
Чтобы получить фотокатализатор с такими характеристиками, исследователи из ЮАР объединили три компонента. Во-первых, около 89% объемной массы порошкообразного фотокатализатора составляет графитовый углерод.
«Графитовый углерод «включается» ультрафиолетовым светом в диапазоне длин волн от 200 до 400 нанометров. Он производит свободные электроны, которые затем могут инициировать различные химические процессы», – пояснил профессор Дламини.
Второй ингредиент (составляет около 10% от конечной массы) – это каликсарен, в данном случае молекула чашеобразной формы. Исследователи приобрели готовый каликсарен, а затем модифицировали его, чтобы фотокатализатор мог «улавливать» и разрушать нежелательные органические молекулы, такие как фармацевтические препараты и их метаболиты или другие вещества в городских сточных водах.
Третий ингредиент – MXene. «Его основная функция – предотвратить рекомбинацию или «нейтрализацию» фотогенерированных электронов из графитового нитрида углерода с положительно заряженными частицами (известными как дырки) под воздействием видимого света», – пояснил Макола.
Наноматериал MXene составляет около 1% от конечной массы. Он содержит углерод и небольшое количество ниобия (относительно недорогого металла). Совместно с каликсареном MXene способствует смещению поглощения света в видимую область солнечного спектра.
Столь экономичный по своим исходным материалом фотокатализатор имеет значительный потенциал для множества промышленных применений, где солнечный или электрический свет задействуется для облегчения химических процессов. Это варьируется от очистки воды до стерилизации камер выращивания биоматериалов или медицинских учреждений и многого другого.