Ученые Новосибирского государственного университета получили патент на катализатор, предназначенный для фотоокисления монооксида углерода (СО) под воздействием излучения широкого спектра. Он обеспечивает эффективную очистку газовоздушных смесей и воздуха от угарного газа при обычной температуре. В отличие от традиционных фотокатализаторов, используемых в данной области, данный катализатор активируется не только ультрафиолетовым излучением, но и естественным освещением, а также под действием комнатных источников света. Новая разработка также снижает образование монооксида углерода как побочного продукта при фотокаталитическом окислении различных органических загрязнителей. Помимо этого, он способен разрушать химические соединения и крупные молекулы, включая ДНК и РНК, а также инактивировать вирусы и бактерии. Данный комбинированный катализатор может быть использован в системах очистки воздуха и применяться в качестве фотоактивного покрытия для стен и других поверхностей в жилых и офисных зданиях. Разработчики изобретения отмечают, что его создание было направлено на защиту окружающей среды и обеспечение здоровья человека, поскольку угарный газ является одним из наиболее распространенных загрязнителей.
— Ежегодно деятельность человека приводит к выбросу в атмосферу от 350 до 600 миллионов тонн монооксида углерода (СО). Значительную часть этого объема – от 56 до 62% – составляют выбросы автотранспорта. Это объясняется тем, что содержание СО в выхлопных газах автомобилей может достигать 12%. Монооксид углерода представляет опасность для человека, поскольку его молекулы при взаимодействии с гемоглобином крови формируют карбоксигемоглобин, препятствующий транспортировке кислорода и клеточному дыханию. Нахождение человека в закрытом пространстве с концентрацией CO в воздухе более 1250 мг/м 3 в течение часа приводит к летальному исходу. К счастью, обычно концентрации этих загрязнителей в жилых и рабочих помещениях невелики, но очистка воздуха все равно необходима, потому что длительное нахождение в контакте с этими веществами может приводить к ухудшению самочувствия людей и нанести вред их здоровью, — рассказал научный сотрудник Научно-образовательного центра Института химических технологий (ИНХИТ) НГУ , ведущий научный сотрудник группы фото- и электрокатализа Института катализа СО РАН, Дмитрий Селищев.
Различные методы применяются для удаления молекулярных примесей из газовоздушных смесей, однако, наиболее результативной технологией очистки воздуха от незначительных концентраций загрязнителей при комнатной температуре является фотокаталитическое окисление. Суть этого метода заключается в том, что под воздействием фотонов света, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны полупроводникового фотокатализатора, в его объеме формируются электрон-дырочные пары. Образовавшиеся электрон и дырка способны перемещаться к поверхности фотокатализатора и участвовать в окислительно-восстановительных реакциях с адсорбированными соединениями. Это обеспечивает высокую скорость окисления даже при низких концентрациях загрязнителей при комнатной температуре.
— Фотокаталитический метод – один из действенных способов удаления загрязнений из воздуха в помещениях. Он основан на применении фотокатализаторов, которые под воздействием света способствуют окислению различных загрязнителей. В результате они преобразуются из вредоносного состояния в безвредные вещества, например, диоксид углерода и воду. Этот метод особенно эффективен для удаления органических загрязнителей. Однако, традиционные фотокатализаторы практически не справляются с очисткой воздуха от монооксида углерода, демонстрируя крайне низкую эффективность. Для повышения эффективности мы провели модификацию ранее разработанных нами фотокатализаторов, нанеся на их поверхность наночастицы благородных металлов – платины и палладия. Эти частицы обеспечивают промежуточную адсорбцию молекул угарного газа, что значительно увеличивает скорость их окисления , — объяснил Дмитрий Селищев.
Диоксид титана – наиболее распространенный полупроводниковый фотокатализатор. Он отличается низкой стоимостью и практически нетоксичен, при этом способен полностью окислять широкий спектр веществ благодаря образованию высокоактивных частиц. Однако, значительная ширина запрещенной зоны диоксида титана (3,0–3,2 эВ) является существенным недостатком, поскольку он активируется только под воздействием ультрафиолетового излучения и не способен поглощать свет видимого диапазона, что сужает сферу его применения.
По словам Дмитрия Селищева, наиболее эффективные фотокатализаторы основаны на нанокристаллическом диоксиде титана с определенным фазовым составом. Для смещения спектра их действия в видимую область предложен метод синтеза, который позволяет ввести дополнительные примеси азота. Это приводит к формированию новых энергетических уровней и, как следствие, сужению ширины запрещенной зоны. В результате, активация катализатора осуществляется при воздействии светового излучения с меньшей энергией, то есть с большей длиной волны.
— Первые фотокаталитические очистители воздуха использовали ультрафиолетовые источники, например, ртутные лампы низкого давления. В настоящее время в ряде стран ртутные источники освещения запрещены, а в других вводятся ограничения с планом полного отказа от них. Это обусловило необходимость перехода к более эффективным, безопасным и экономичным светодиодным источникам для каталитических очистителей воздуха. Нашей задачей было создание катализатора, активируемого в широком спектральном диапазоне. Другие исследователи ранее работали над этой задачей, используя различные подходы. Мы предложили сочетать основные преимущества титанооксидных катализаторов, обеспечивающих высокую эффективность, с модификацией их структуры путем введения в нее примеси азота за счет использования определенных реагентов и обработок , — пояснил Дмитрий Селищев.
Модифицированный катализатор отличается от исходного по цвету. Исходный катализатор выглядит как порошок белого цвета. Такая окраска указывает на то, что он отражает, а не поглощает видимый свет. В результате проведенных манипуляций модифицированный катализатор приобретает желтый цвет. Это говорит о том, что он поглощает излучение видимого спектра. Такой катализатор активируется не только под воздействием видимого света, но и ультрафиолетового излучения, и может найти применение в новых поколениях приборов для очистки воздуха от молекулярных примесей.
Низкая адсорбционная способность по отношению к молекулам монооксида углерода также является существенным ограничением диоксида титана, как и других традиционных полупроводниковых фотокатализаторов. Это приводит к снижению скорости фотокаталитического окисления и, как следствие, к неэффективной очистке воздуха от примесей данного типа. Важно учитывать, что CO может образовываться в процессе фотокаталитического окисления органических загрязнителей, особенно ароматических соединений, что может привести к вторичному загрязнению воздуха.
Из-за слабой адсорбции молекул СО на поверхности, возникла необходимость в создании дополнительных центров абсорбции, а также центров переноса фотогенерированных зарядов. Для этого в состав нового фотокатализатора включили наночастицы платины и палладия, используя специальные реагенты, которые обеспечивают равномерное распределение этих наночастиц по поверхности.
— Новый катализатор будет использоваться в системах очистки воздуха. На российском рынке есть несколько крупных производителей, проявляющих интерес к использованию этого типа катализаторов для улучшения характеристик своей продукции. Сотрудники НГУ взаимодействуют с ними и предлагают свои разработки для создания новых поколений очистителей воздуха. Кроме того, научные сотрудники нашей лаборатории занимаются разработкой самоочищающихся покрытий для различных материалов и поверхностей, которые включают фотоактивный компонент и связующие вещества. Мы планируем использовать модернизированный катализатор и в этой сфере, чтобы обеспечить непрерывную пассивную очистку помещений от угарного газа. В настоящее время проводятся лабораторные испытания покрытия для стен, основанного на катализаторе для фотоокисления монооксида углерода , — сказал Дмитрий Селищев.
Пресс-служба Новосибирского государственного университета выступила с заявлением