Российские ученые из Сколтеха, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и ТПУ разработали новый катализатор, предназначенный для фотокаталитического восстановления углекислого газа. Согласно результатам исследований, композитный катализатор, созданный на основе диоксида титана и высокоэнтропийного карбида (полученного в Томском политехническом университете с использованием безвакуумного электродугового синтеза), обеспечивает в семь раз более высокую скорость образования метана, чем традиционно применяемый оксид титана. В будущем данный фотокатализатор может найти применение в технологиях улавливания и использования CO₂ для производства экологически чистого топлива. Результаты опубликованы в журнале Materials Today Energy.
Решение задачи создания действенных методов улавливания углекислого газа и его преобразования в востребованные продукты представляет собой одну из ключевых целей для исследователей во всем мире. Значительные надежды связаны с фотокатализом, технологией, позволяющей осуществлять химические реакции в естественных условиях. Обычно в качестве фотокатализаторов применяют соединения на основе диоксида титана, а также драгоценные металлы, такие как золото, платина и палладий. Однако, ряд материалов, включая бориды, карбиды, соединения переходных металлов и высокоэнтропийные материалы, основанные на них, проявляют потенциал для использования в качестве катализаторов.
Высокоэнтропийные карбиды продемонстрировали значительный потенциал для использования в катализе и улавливании CO₂ посредством фотокаталитического процесса. Эти материалы, представляющие собой новый класс, содержат в своей структуре пять и более различных металлов, объединённых с углеродом. Ключевой особенностью таких карбидов является их устойчивость к воздействию высоких температур и интенсивных потоков энергии. Варьируя состав элементов, можно получить требуемое сочетание характеристик, таких как каталитическая активность и селективность, температура плавления, температура окисления, удельный вес и другие параметры).
«В рамках нашего исследования были разработаны и проанализированы композитные фотокатализаторы, сочетающие диоксид титана и высокоэнтропийный карбид. Этот карбид был получен из порошков титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и углерода с использованием безвакуумной электродуговой технологии. Поскольку свойства высокоэнтропийных карбидов изучены недостаточно, в представленной работе авторы обнаружили их перспективное применение в фотокатализе», — отметил один из авторов статьи, руководитель лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики Александр Пак.
Безвакуумный электродуговой метод синтеза представляет собой инновационный способ получения материалов, над которым работают исследователи Томского политеха. Данная технология обеспечивает возможность синтеза материалов посредством дугового разряда постоянного тока в атмосферных условиях, исключая необходимость применения вакуумного оборудования и специальных газовых смесей. Ранее политехникам впервые удалось получить высокоэнтропийный карбид в атмосферной плазме.
Исследование электронных и адсорбционных характеристик высокоэнтропийного карбида с помощью цифрового моделирования позволило выявить причины его эффективности в качестве компонента композитного фотокатализатора. В ходе моделирования адсорбции газов – прекурсоров и продуктов реакции – на поверхности высокоэнтропийного карбида было установлено, что атомы металлов, входящие в его состав, теряют свою индивидуальную электронную структуру, что обуславливает увеличение числа активных центров адсорбции.
«Чтобы выяснить, каким образом локальная структура активного центра высокоэнтропийного карбида воздействует на адсорбционные и каталитические свойства, мы осуществили обширные вычисления, предшествовавшие началу экспериментальной работы. Собранный нами массив данных позволил сформулировать выводы о потенциале использования этого материала в фотокаталитических процессах, и он также послужит основой для дальнейшей разработки новых прогностических моделей, основанных на методах машинного обучения», — сообщил руководитель исследования, профессор Центра технологий материалов Сколтеха Александр Квашнин.
Композитные фотокатализаторы восстановления СО2 были получены путём испарения суспензии, содержащей предварительно синтезированный высокоэнтропийный карбид, диоксид титана и ацетон. С помощью различных аналитических методов были исследованы структурные, химические, оптические свойства фотокатализаторов, фазовый и элементный состав, микроструктурные особенности.
Также в реакции восстановления CO2 под воздействием видимого света была протестирована фотокаталитическая активность полученных композитных катализаторов. Эксперименты показали, что новые катализаторы позволяют значительно увеличить выход метана по сравнению с катализаторами из немодифицированного диоксида титана. Были проведены детальные эксперименты по изучению фотокатализаторов в долговременных экспериментах и найдены причины дезактивации.
«Согласно результатам исследования, наибольшая скорость образования метана наблюдается в реакции фотокаталитического восстановления CO 2 под действием видимого света достигается при содержании в составе композитного катализатора 10 мас.% высокоэнтропийного карбида, синтезированного безвакуумным электродуговым методом. Данная величина в семь раз выше, чем при использовании немодифицированного диоксида титана. Исследования подтвердили повышение поглощающей способности и образование гетеропереходов между TiO 2 и карбидом, что улучшает разделение зарядов и продлевает их время жизни. Таким образом, вероятно, что в фотокатализе можно успешно использовать и другие карбиды», — добавляет автор статьи, ведущий научный сотрудник ФИЦ Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Екатерина Козлова.