Сотрудники ФИЦ «Институт катализа СО РАН» в союзе с учеными Ивановского государственного химико-технологического университета создали фотокатализаторы на основе допированного диоксида титана с овечьей шерстью в качестве биотемплата. Ученые выяснили, что, в отличие от стандартных титаноксидных фотокатализаторов, полученные материалы поглощают излучение в видимой области спектра и обладают высокой активностью в разложении органических молекул под действием не только УФ-излучения, но и видимого света.
Диоксид титана (TiO₂) является классическим фотокатализатором и находит широкое применение в процессах очистки воды и воздуха, где он способствует разрушению органических загрязнителей посредством окисления. Однако, данный фотокатализатор проявляет активность только под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое составляет лишь около 5% от общей солнечной энергии. В связи с этим, ученые активно разрабатывают более эффективные фотокатализаторы, способные реагировать на видимый свет – составляющую примерно 45% солнечного спектра – и демонстрирующие высокую активность как в УФ-, так и в видимой области%.
С целью решения поставленной задачи ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разработали способ получения фотоактивного диоксида титана с повышенными функциональными характеристиками, основанный на принципе биомиметики – использовании структур, встречающихся в живых организмах. В качестве метода был применен один из подходов, соответствующих принципам экологичной химии, – биотемплатный метод, при котором в качестве основы выступают волокна овечьей шерсти. Шерстяные волокна подвергли пропитке раствором полигидроксокомплексов титана в мягких гидротермальных условиях, поддерживая температуру 115°C, после чего материал подвергли прокаливанию на воздухе при 600°C для удаления биотемплата.
«В процессе термообработки шерстяное волокно полностью разрушается, однако из-за высокой температуры происходит диффузия его компонентов в структуру формирующегося диоксида титана. Это приводит к появлению примесей и дефектов, выражающихся в виде ионов титана и кислородных вакансий. В итоге синтеза получаются нанокристаллы диоксида титана, имеющие форму анатаза и рутила с частицами размером 15–20 нм. Чистый диоксид титана имеет белый цвет, в то время как полученный фотокатализатор окрашен в кремовый оттенок, что указывает на его способность поглощать свет в видимой области спектра», — объясняет ведущий научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН, кандидат химических наук Дмитрий Селищев.
Разработанный катализатор находит применение не только в системах очистки воздуха, используемых в лабораториях, больницах и на производствах с неблагоприятными условиями труда, но и для очистки сточных вод, содержащих органические красители и фармацевтические вещества. В перспективе ученые намерены разработать самоочищаемые покрытия на основе этого фотокатализатора.
«Применение возобновляемого биоматериала и несложный гидротермальный метод делают эту технологию многообещающей с точки зрения возможности увеличения объемов производства в соответствии с принципами устойчивого развития и принципами зеленой химии. Данная работа демонстрирует, как биомиметические методы могут быть использованы для разработки современных функциональных материалов, — отметил ученый.