Российские исследователи усовершенствовали свойства диоксида титана — соединения, широко используемого для очистки окружающей среды и в биомедицинских разработках. Путем целенаправленного добавления иттрия в структуру наночастиц им удалось преодолеть ключевые ограничения материала и более чем в полтора раза повысить его эффективность.
Проблема классического диоксида титана заключалась в его работе только под ультрафиолетовым светом и быстрой потере энергии, что снижало практическую пользу. Как пояснил Александр Сюй, главный научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, целью работы было повышение фотокаталитической активности за счет допирования и тщательной оптимизации процессов синтеза и последующей обработки.
Ученые стремились получить чистые частицы с контролируемыми размерами и улучшенными оптическими характеристиками. Комплексный подход, включавший гидротермальный синтез, промывку и обжиг, позволил получить воспроизводимые образцы с предсказуемыми свойствами. Ключевым достижением стало установление оптимальной концентрации иттрия в диапазоне от 2 до 5,5 ат. %. Именно при таком содержании добавки ионы иттрия работают как эффективные ловушки для электрических зарядов, предотвращая их бесполезное воссоединение и высвобождение энергии в виде тепла. Это приводит к значительному росту фотоактивности. Более того, допирование привело к уменьшению размера частиц до 10−25 нанометров, что также способствует повышению эффективности.
Максимальная фотокаталитическая активность происходила с коэффициентом скорости деградации k ≈ 35 × 10³ мин⁻¹, что более чем в 1,5 раза превышает показатели чистого диоксида титана. Такое увеличение производительности является значительным шагом вперед. Разработанная технология позволяет создавать фотокатализаторы с заранее известными и заданными характеристиками, что критически важно для их коммерческого использования.
Помимо экологии и медицины новые частицы могут быть использованы для создания самоочищающихся покрытий для строительных материалов, более эффективных солнечных батарей и высокочувствительных сенсоров. По словам Александра Сюя, научный коллектив уже планирует дальнейшие исследования. Следующей целью является расширение спектральной активности наночастиц в видимую область света за счет комбинированного допирования, например, азотом или серой вместе с иттрием. Также рассматривается интеграция частиц в гибридные структуры с графеном или максенами для еще большего улучшения разделения зарядов.
Ранее ученые презентовали «станок» для ювелирной сборки наночастиц.
