Руководитель проекта: младший научный сотрудник, старший преподаватель Александр Сергеевич Чернуха

Цель проекта: Разработка метода получения полупроводниковых фотокаталитических материалов с плавно регулируемыми свойствами на основе молекулярно-допированного нитрида углерода

Наиболее острой проблемой современности является загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления, в частности синтетическими органическими веществами. Одними из основных источников загрязнителей являются теплоэнергетика и транспорт. Продукты горения минерального топлива помимо отрицательного влияния на здоровье человека приводят к возникновению негативных природных явлений, например, кислотных осадков. Наконец, эмиссия диоксида углерода способствует развитию парникового эффекта и, как следствие, глобальному изменению климата. Более того теплоэнергетика и транспорт потребляют невосполнимые минеральные ресурсы, усугубляя проблему истощения полезных ископаемых. Наконец, рост цен на энергоресурсы приводит к необходимости повышения эффективности производства и энергосбережения, в частности в области химической технологии.
Исходя из вышесказанного, на данный момент чрезвычайно актуальна разработка и получение материалов, способных разлагать органические загрязнители. Цивилизация нуждается в материалах, применение которых позволит найти альтернативы классическим способам производства электрической энергии и классическому транспорту, что одновременно будет способствовать решению проблемы загрязнения окружающей среды и выходу из энергетического кризиса. Наконец, на производстве востребованы материалы, использование которых позволит получать продукты, как основного, так и тонкого органического синтеза без образования сопутствующих продуктов и с большим выходом целевого вещества.
Одним из наиболее многообещающих направлений в современном материаловедении является разработка и получение полупроводниковых фотокатализаторов. Такие материалы при облучении УФ-вид излучением демонстрируют способность разлагать органические вещества до воды и углекислого газа. Широко известно, что полупроводниковые фотокатализаторы (также при облучении) приводят к расщеплению воды с образованием водорода. Развитие водородной энергетики, в свою очередь, позволит в будущем более эффективно использовать солнечную энергию и потреблять меньше минерального топлива. Наконец, полупроводниковые фотокатализаторы проявляют способность к селективному окислению органических веществ с образованием требуемых продуктов с большим выходом.
Несмотря на то, что активные работы по данной тематике идут уже почти полвека, фотокаталитические материалы редко становятся коммерческими образцами. Наиболее близок к этому диоксид титана (TiO2). Но сожалению, диоксид титана обладает широкой запрещённой зоной (3,1-3,2 эВ), что приводит к необходимости больших затрат на источники УФ-излучения. Данное обстоятельство практически сводит на нет все преимущества фотокатализатора, так как исключает возможность использования неисчерпаемой энергии Солнца.
Перспективным полупроводниковым фотокатализатором является графитоподобный нитрид углерода (CN). Он имеет подходящее для разложения воды расположение запрещённой зоны, обладает высокой химической стойкостью, может быть легко получен из коммерчески доступных веществ.
Однако он также обладает широкой запрещённой зоной (2,7 эВ). К данному моменту неоднократно предпринимались попытки модификации структуры нитрида углерода с целью тонкой настройки положения запрещённой зоны и её ширины.
Данный проект развивает тему молекулярно-ковалентного допирования CN. Было решено изучить допирование структуры нитрида углерода акцепторными и донорными гетероциклическими системами. В качестве таковых могут выступать коммерчески доступные (бензо)халькогендиазолы (халькоген = O, S, Se), которые уже длительное время применяются для построения полимерных органических полупроводников. Такой подход позволит регулировать ширину запрещённой зоны полупроводника, что необходимо для возможности преобразования энергии видимого излучения Солнца в химическую энергию.

Основные программы бакалавриата, на основе которой предполагается реализация проекта:
18.03.01 «Химическая технология»
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»