Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) готовы предложить российской промышленности новый продукт с улучшенными свойствами — фотокатализаторы на основе наноматериалов. Изобретение найдет широкое применение в очистке сточных вод предприятий, а также для создания самоочищающихся покрытий. Способ простой и недорогостоящий. А самое главное достоинство — полученные материалы проявляют свои свойства как при облучении ультрафиолетом, так и при воздействии Солнца.

В процессе фотокатализа сложные органические соединения разлагаются на простые: углекислый газ и воду. Разрабатываемые материалы могут использоваться в фотокаталитических фильтрах. Например, они могут быть установлены в кондиционерах, воздухоочистителях и в очистных сооружениях на промышленных предприятиях.

Загрязнитель, находящийся в воде или воздухе, разлагается внутри фильтра — «очищается», при этом вредные вещества преобразуются в безопасные. Этот процесс активируется внешним воздействием — ультрафиолетовым излучением или солнечным светом.

В качестве фотокатализатора — «очищающего» компонента используют различные химические соединения (полупроводниковые оксиды). Например, оксид цинка или диоксид титана. Такие оксидные материалы не могут работать («очищать») при солнечном свете. Они активные только в узком его диапазоне — ультрафиолетовом.

«Для эффективной работы таких фотокатализаторов требуется дополнительной освещение ультрафиолетовым светом. А фотокатализаторы, „работающие” во всем спектре солнечного света, очень дорогостоящие, поскольку для их изготовления используют частицы благородных металлов: палладий, платину, золото, серебро», — пояснила Надежда Якушова, разработчик проекта.

В Пензенском госуниверситете создали уникальный материал, способный разлагать вредные вещества во всем спектре солнечного излучения. Над проектом работают канд. техн. наук, доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Надежда Якушова и аспирант Иван Филиппов.

В лабораторных условиях удалось разработать новую технологию для изготовления фотокатализаторов на основе модифицированного широкозонного полупроводникового оксида цинка.

«Если говорить простыми словами, наш фотокатализатор будет эффективен во всем спектре солнечного излучения. При этом мы предлагаем достаточно простую и недорогостоящую технологию. Последний критерий нам удалось достичь благодаря решению модифицировать оксид цинка дешевыми металлами — медью и алюминием», — поделилась Надежда Якушова.

В лаборатории кафедры «Нано- и микроэлектроника» на базе Пензенского госуниверситета исследователями были получены первые образцы энергоэффективных фотокатализаторов.

С помощью нанотехнологии ученые создают специальный состав. Из него в последующем формируют фотокатализаторы на прозрачных подложках методом погружения (dip-coating) или центрифугирования (spin-coating).

Золь-гель технология позволяет управлять этапами синтеза и внедрением модификаторов (меди и алюминия) в исходный материал — оксид цинка. Так получается достичь нужные характеристики у конечного продукта.

«Мы используем недорогие реагенты, что снижает себестоимость материала. Материала, который обладает фотокаталитической активностью в широкой области спектра излучения Солнца», — рассказала Надежда Якушова.

При первом методе нанесения — на лабораторной установке с несколькими сосудами на закрепленную подложку наносится золь, выступающий как основа для будущей пленки — фотокатализатора. Особенностью метода погружения является возможность формирования многослойных покрытий различного состава. При втором способе нанесения — подложка с разработанным материалом отправляется в центрифугу. Центробежное ускорение распределяет золь по подложке. Последним этапом создания фотокатализаторов является отжиг, который проводят в муфельной печи при температуре более 500 °С.

Ученые в лабораторных условиях проверили эффективность разработанного материала на модельных загрязнителях. В водный раствор красителя — метилового оранжевого поместили энергоэффективный фотокатализатор. Облученный искусственным солнечным излучением краситель распался до воды и углекислого газа.

«Предложенный способ модификации материала показал интересные результаты. Мы получили новые свойства и эффективность, которые доказаны в лабораторных условиях. Наше исследование представляет научный интерес как с точки зрения фундаментальной, так и прикладной науки», — добавила исследователь.

Разработку можно применять для создания фильтров на промышленных предприятиях, где требуется очистка сточных вод и воздуха. Возможным использованием созданных материалов является также преобразование углекислого газа и воды в метан и кислород.

Разработчик проекта добавила, что еще одним из применений разработанных фотокатализаторов является утилизация фармпрепаратов с истекшим сроком годности. А также устранение утечек нефтедобывающих и химических производств, где существующие методы очистки зачастую не справляются с этой задачей.

Способ, предложенный в ПГУ, по своей эффективности и экономичности не уступает зарубежным и отечественным аналогам.

Кроме того, разработанный материал можно наносить на разные типы поверхностей. Поэтому он может найти новое применение также в строительстве и реставрации памятников культуры.

«Материал можно будет добавлять в строительные краски и лаки, получая инновационное самоочищающееся покрытие. Или же нанести его на памятники или предметы искусства. Это обеспечит их дополнительную защиту от вредных воздействий окружающей среды и позволит лишний раз не прибегать к реставрационной чистке», — уверена Надежда Якушова.

В этом году проект получил поддержку конкурса «Ректорские гранты» ПГУ. В настоящее время разработчики продолжают исследование и подготавливают заявку на патентование изобретения.