Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) в рамках реализации национального проекта «Новые материалы и химия» разработали нанокомпозит для инновационного фотокатализатора, способного разлагать органические загрязнители не только под ультрафиолетом, но и при обычном дневном свете. Ключевое достижение — гетеропереход по Z-схеме с медиатором из оксида железа. Это решение, ранее не встречавшееся в мировой практике. Разработка применима для очистки сточных вод фармацевтической и бумажной промышленности. Интерес к ней уже проявил пензенский «Горводоканал». Проект поддержан грантом РНФ, результаты опубликованы в журнале Clean Technologies (Q1).
Поиск фотокатализаторов для очистки воды и воздуха от опасных веществ — одно из интенсивных направлений мировой науки. Такие материалы точечно удаляют органические загрязнители, но их главная проблема — быстрая рекомбинация носителей заряда.
«После воздействия света в материале образуются электрон и дырка, которые почти сразу снова рекомбинируют. В результате эффективность фотокатализатора падает практически до нуля. Поэтому ученые используют гетеропереходы — контакты материалов с разной шириной запрещенной зоны», — пояснила разработчик проекта доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ, кандидат технических наук Надежда Якушова.
В таких структурах носители заряда пространственно разделяются и дольше остаются активными. Взаимодействуя с кислородом и водой, они образуют высокореактивные частицы, эффективно разлагающие органику. Фотокатализаторы с гетеропереходом по Z-схеме особенно перспективны, так как они используют солнечную энергию для разложения воды и удаления загрязнителей. Однако мировых предложений немного, и в большинстве случаев применяются дорогостоящие материалы.
Надежда Якушова предложила создавать нанокомпозит на базе оксида цинка (ZnO), модифицированного железом и алюминием и дополненного диоксидом олова или титана. Синтез ведется по золь-гель технологии, дающей точный контроль над этапами и гибкую подстройку свойств. Концентрация железа или алюминия варьируется от 0 до 6 атомных процентов для целенаправленного изменения ширины запрещенной зоны. Объединение оксида цинка с диоксидом олова или титана создает контакт материалов с разными электронными свойствами, обеспечивая эффективное разделение зарядов.
«В известных исследованиях по реализации гетероперехода по Z-схеме не было выявлено медиатора. А нам удалось это сделать. Медиатором выступил оксид железа», — рассказала Надежда Якушова.
Медиатор работает как посредник, влияя на движение электронов и дырок. Это позволило «настроить» материал так, чтобы он эффективно работал не только в ультрафиолетовой, но и в видимой области спектра.
Поскольку энергетические уровни нельзя наблюдать визуально, в ПГУ провели серию экспериментов. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия позволила определить положение уровня Ферми в запрещенной зоне. Методом Тауца исследователи выделили из спектров участки, относящиеся к каждому оксиду, и определили ширину запрещенной зоны. Разработанная математическая модель помогла рассчитать положение уровней и построить зонную диаграмму. Наличие гетероперехода по Z-схеме подтвердил эксперимент по «гашению» высокореактивных частиц: в раствор бриллиантового зеленого добавили реактивы, подавляющие фотокатализ. В одной из пробирок раствор все равно заметно обесцветился.
В качестве модельного загрязнителя использовался бриллиантовый зеленый, но в ближайших планах — проверить нанокомпозит на смеси антибиотика «Ципрофлоксацин» и анальгетика «Парацетамол».
«В реальных сточных водах предприятий редко встречается один загрязнитель. Обычно это сложные смеси, и фотокатализатор должен справляться именно с комбинированными загрязнителями», — уверена исследователь.
Ноу-хау может повысить эффективность очистки городских стоков. Технология также найдет применение на предприятиях фармацевтической и бумажной промышленности.
Источник: ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет"
