Исследователи из России и Объединенных Арабских Эмиратов разработали новые высокоэффективные фотокатализаторы на основе соединений ниобия, лития и кислорода.
Они способны очищать воду от красителей, пестицидов и других загрязнений, используя видимый свет, и наносят минимальный ущерб окружающей среде. Об этом ТАСС сообщили в пресс-службе МФТИ.
Фотокатализ считается одной из самых перспективных технологий очистки воды и воздуха. Принцип работы заключается в использовании энергии солнечного света для разложения токсичных органических соединений. Однако большинство существующих катализаторов эффективны только под ультрафиолетовым излучением, которое составляет лишь около 5 процентов солнечного спектра. Остальные 50 процентов энергии, приходящиеся на видимый диапазон, остаются невостребованными.
Физики нашли способ решить эту проблему, экспериментируя с катализаторами на базе оксида ниобия. В теории эти материалы способны поглощать видимый свет, но для этого требовалось создать в их структуре условия, препятствующие рекомбинации — повторному соединению зарядов, возникающих при взаимодействии света с катализатором.
Ученые обнаружили, что нужного эффекта можно добиться, добавив в оксид ниобия небольшое количество лития, поместив полученный кристаллический материал под тонкий слой воды и обработав его мощными короткими лазерными импульсами. В результате в кристаллической решетке образуются точечные дефекты, которые способствуют эффективному разделению зарядов при облучении видимым светом.
Как пояснил старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский, дефекты позволяют материалу поглощать видимый свет и продлевают время жизни зарядов. Благодаря этому носители заряда успевают достичь поверхности наночастиц и преобразовать кислород и воду в активные формы — гидроксильные радикалы и супероксид-анионы, которые и разрушают загрязнители.
Эксперименты подтвердили высокую эффективность разработки. Новый структурированный нанокатализатор разрушает молекулы красителей примерно в 2,3 раза быстрее, чем аналоги на базе аморфного оксида ниобия. Всего за 150 минут обработки он очистил раствор на 90 процентов. Ученые уверены, что такие фотокатализаторы могут применяться для очистки воды от широкого спектра загрязнителей и ускорения других химических реакций.
