Наноструктурированные металлоксидные функциональные материалы
Руководитель группы – доктор химических наук Авдин Вячеслав Викторович
Краткая историческая справка
Сущность исследований
Области применения металлоксидов
Что удалось получить?
Какие перспективы?
Оборудование для исследования
Какие перспективы?
- Безреагентная очистка воды
Известно, что композитные фотокатализаторы на основе диоксида титана и диоксида кремния эффективны в отношении ряда трудноокисляемых органических загрязнений. В литературе описано разложение при помощи фотокатализа таких загрязнений как фенол [1], 1,4-дихлорбензол [2], 4-хлорфенол [3], фосфорсодержащие пестициды (тиофос, монокротофос), акрилонитрил, цианиды и даже углеводороды.
В чём преимущество фотокаталитической очистки перед другими методами?
Сорбенты хорошо поглощают загрязнения, затем сорбенты либо регенирируют и используют вновь, либо отработанные сорбенты выводят из эксплуатации. В первом случае возникает необходимость утилизации отработанных регенерационных растворов (а это концентрированные растворы токсичных трудноокисляемых органических веществ). Во втором случае – проблема утилизации отработанных сорбентов.
Хорошо зарекомендовала себя ионообменная технология. Но после её применения также возникает проблема, связанная с утилизацией отработанных регенерационных растворов.
Одними из наиболее современных и перспективных являются мембранные технологии. С их помощью загрязнённая вода разделяется на фильтрат, свободный от загрязнений и концентрат, насыщенный загрязнениями. Концентрат тоже нужно как-то утилизировать.
Фотокаталитическая технология имеет перед остальными существенное достоинство – не образуется отходов. Разложение загрязнений происходит до углекислого газа и воды, то есть тех соединений, которые содержатся в атмосфере. Конечно, углекислый газ – парниковый, и в этом смысле тоже является загрязнением. Но, во-первых, это альтернатива токсичным органическим загрязнениям, которые в остальных водоочистных методах никуда не исчезают. Во-вторых, мы с вами тоже выдыхаем десятки литров углекислого газа в час и ничего страшного в этом нет.
Почему же тогда фотокаталитическая технология не применяется повсеместно? Потому что размер зёрен коммерческих катализаторов – 50…70 нм. Если их сделать крупнее, активность резко уменьшится, так как фотокатализ на металлоксидах – гетерогенный процесс, который протекает на поверхности зёрен катализатора. Такие зёрна очень трудно извлечь из очищенной воды. Решением проблемы является применение смешанных катализаторов, в которых зёрна фотокаталитически активного материала расположены в объёме инертного носителя. Зёрна фотокатализатора могут оставаться в наноразмерном диапазоне, чтобы сохранить высокую активность, а гранулы носителя могут быть достаточно крупными, чтобы их можно было извлечь из очищенной воды. Эта область только развивается, поэтому примеров практического использования – единицы на весь мир.
Нами проведены пробные эксперименты со смешанными фотокатализаторами на основе TiO2/SiO2. Эксперименты выполнены с модельной и с реальной водой коксохимического производства, содержащей фенол. Результаты показаны на рисунках. Как видно, даже без доработки под конкретные загрязнения фенол удаляется из воды достаточно успешно. В этом направлении мы планируем продолжить работы, направленные на практическое использование наших фотокатализаторов.
Снижение концентрации фенола в модельной воде
- Получение водорода из воды
Этим вопросом озадачивалось очень много исследователей с тех, как стало известно, что вода состоит из водорода и кислорода и что реакция, в которой водород сгорает и образует воду, выделяет очень много энергии. Одна из отработанных технологий разделения воды на водород и кислород – электрохимическая. Вода разлагается на исходные газы под действием электричества. Такая технология применяется, например, для портативных водородных горелок. Но во всех этих технологиях затраты на получение водорода выше, чем энергия, получаемая при его сгорании.
В последнее время появились публикации (сейчас, наверное, уже несколько сотен) о каталитическом разложении воды на водород и кислород. Причём, энергетический выигрыш в них достаточно велик, ведь катализатор существенно сокращает затраты на протекание процесса. Пока невысок практический выход в этих реакциях. То есть говорить о практическом применении пока нельзя. Но когда практический выход будет увеличен, а это рано или поздно произойдёт, закончится эра углеводородного топлива. Человечество будет использовать воду в качестве источника энергии. То есть из природы будет браться вода, разлагаться на составляющие, которые затем будут воссоединяться в воду и возвращаться назад в окружающую среду. Звучит как фантастика, но ещё 30 лет назад сотовые телефоны тоже были фантастикой.
Эксперименты по фотокаталитическому разложению воды проводятся и у нас. Результаты пока не превосходят тех, которые получены другими исследователями. Но мы пытаемся найти такую структуру и/или состав фотокатализатора, который позволит повысить КПД данного процесса.
- Новые виды катализаторов.
Хотя гетерогенные катализаторы известны давно и их исследованием занималось много поколений химиков, существенный прогресс в этой области исследования наступил в последние лет 20. Это связано с технологическим скачком в исследовательском оборудовании, который произошёл как раз лет 20 назад. Исследовательские возможности почти всех типов оборудования значительно возросли. Мы можем быстро определить, что у нас получилось, как это выглядит на субатомном уровне, из чего состоит, как себя ведёт. Это позволяет разрабатывать и корректировать программу исследований, опираясь не на конечные характеристики материалов, например, фотокаталитическую активность, а на первичные свойства – морфология, структура, состав и пр. Поэтому многие металлоксиды (и не только они), раньше мало изучавшиеся в виду того, что считались бесперспективными, сейчас начинают находить своё применение. К таким материалам относятся оксида иттрия, лантана и других редкоземельных металлов, смешанные оксиды и пр.
Нами получены интересные результаты по фотокаталитическим свойствам некоторых металлоксидных материалов на основе иттрия и лантана, а также графитоподобного нитрида углерода. Это основные виды исследований в данном направлении работы нашей научной группы.
>>Оборудование для исследования