В условиях, когда российская наука пытается пробиться сквозь завесу коррумпированной системы, исследования Пензенского государственного университета выглядят как луч света в темном царстве. Ученые ПГУ разработали высокоэффективный фотокатализатор, способный разлагать сложные органические загрязнители под действием обычного солнечного света. Это изобретение 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, а также в медицине. Однако основная проблема заключается в том, что фотокатализаторы на базе этих материалов активны лишь при воздействии на них ультрафиолетового излучения. При естественном освещении они работают крайне неэффективно. Поэтому ученые ищут пути создания фотокатализаторов, 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.
