Ученые Пензенского государственного университета синтезировали высокоэффективный фотокатализатор, который активируется не только ультрафиолетовым, но и видимым светом, что ранее являлось главной проблемой для материалов такого класса. Это достижение открывает путь к созданию экономичных и масштабируемых систем очистки, работающих на бесплатной энергии солнца.
Проблема существующих фотокатализаторов, как пояснил один из авторов проекта, инженер-исследователь межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ Иван Филиппов, заключалась в их ограниченной применимости. Материалы на основе оксидов цинка или титана требуют для активации мощного ультрафиолетового излучения, которое в естественном солнечном спектре составляет лишь малую долю. Это резко снижало их эффективность в реальных условиях и делало технологии очистки дорогостоящими из-за необходимости использования специальных УФ-ламп.
Ключ к решению этой многолетней научной задачи пензенские исследователи нашли в сложном композитном материале. Они создали иерархическую гетероструктуру из металлооксидов с разной шириной запрещенной зоны. Как объяснил ведущий научный сотрудник лаборатории, кандидат физико-математических наук Андрей Карманов, уникальность их подхода в комбинации двух стратегий. Во-первых, ширина запрещенной зоны оксида цинка была уменьшена за счет его модифицирования алюминием. Во-вторых, этот модифицированный материал стал основой для новой композитной структуры, что в итоге позволило получить катализатор, чутко реагирующий на широкий спектр излучения.
Для синтеза материала была применена передовая золь-гель технология, обеспечивающая высочайший уровень контроля на каждом этапе. Ученые создали особый пленкообразующий золь, из которого методом центрифугирования на прозрачных подложках формировались готовые образцы фотокатализатора. Этот метод позволяет тонко управлять процессом и точно вводить модификаторы в исходный оксид цинка, добиваясь заданных свойств.
Эффективность разработки была подтверждена в ходе лабораторных испытаний. В качестве модельного загрязнителя использовался водный раствор метилового оранжевого с высокой концентрацией. Результаты впечатлили даже самих разработчиков. Под воздействием ультрафиолета краситель разложился на 78% всего за два часа. Но главным сюрпризом стала почти идентичная эффективность под обычным видимым светом — 75% разложения за тот же промежуток времени. При продолжении воздействия загрязнитель полностью распадается до безвредных компонентов — воды, углекислого газа и продуктов минерализации, не оставляя после себя токсичных промежуточных соединений.
Ранее ученые презентовали фотокатализатор для очистки воды, который активируется обычным светом от LED-светильников.
