Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» совместно с коллегами из Ивановского государственного химико-технологического университета создали фотокатализаторы на основе допированного диоксида титана с овечьей шерстью в качестве биотемплата. Ученые выяснили, что, в отличие от стандартных титаноксидных фотокатализаторов, полученные материалы поглощают излучение в видимой области спектра и обладают высокой активностью в разложении органических молекул под действием не только УФ-излучения, но и видимого света.
Диоксид титана (TiO₂) — традиционный фотокатализатор, который широко используется в системах очистки воды и воздуха для окислительной деструкции загрязняющих примесей органических соединений. Этот фотокатализатор активируется только излучением ультрафиолетового (УФ) диапазона, на долю которого приходится примерно 5 % от всего солнечного спектра. Исследователи занимаются созданием высокоактивных фотокатализаторов, чувствительных к видимому свету, которые будут хорошо работать не только в УФ-области, но и в видимом диапазоне, доля которого достигает 45 %.
Для решения этой задачи специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» предложили синтезировать фотоактивный диоксид титана с улучшенными функциональными свойствами на основе принципа биомиметики — заимствования форм живой природы. Они применили один из подходов зеленой химии — биотемплатный метод с использованием овечьей шерсти в качестве базовой структуры. Шерстяные волокна пропитали раствором полигидроксокомплексов титана в мягких гидротермальных условиях при температуре 115 °C, а затем прокалили материал на воздухе при 600 °C для удаления биотемплата.
«При термической обработке основа из шерстяных волокон выгорает, но из-за высокой температуры происходит диффузия ее элементов в структуру образующегося диоксида титана — из-за этого образуются примеси и дефекты в виде ионов титана и кислородных вакансий. Результат синтеза — нанокристаллы диоксида титана в форме анатаза и рутила с размером 15–20 нм. Сам по себе диоксид титана белый, а полученный фотокатализатор имеет кремовый цвет, и это значит, что он поглощает свет в видимом диапазоне», — рассказывает ведущий научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН, к.х.н. Дмитрий Селищев.
Синтезированный катализатор можно применять не только в системах очистки воздуха в лабораториях, медицинских учреждениях и предприятиях с вредными условиями работы, но также для очистки сточных вод, загрязненных органическими пигментами и фармацевтическими препаратами. В планах ученых — создать самоочищающиеся покрытия с использованием данного фотокатализатора.
«Использование возобновляемого биоматериала и простой гидротермальный процесс делают эту технологию перспективной для масштабирования в соответствии с принципами устойчивого развития и зеленой химии. Это исследование — яркий пример того, как биомиметические подходы позволяют создавать передовые функциональные материалы», — подчеркивает ученый.