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 при разложении органических молекул под действием не только ультрафиолетового излучения, но и видимого света.
Диоксид титана (TiO2) широко используется в системах очистки воды и воздуха для окислительной деструкции загрязняющих примесей органических соединений. Этот фотокатализатор активируется только излучением ультрафиолетового диапазона, на долю которого приходятся примерно 5% от всего солнечного спектра. Ученые занимаются созданием высокоактивных фотокатализаторов, чувствительных к видимому свету, которые будут хорошо работать не только в ультрафиолетовой 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 заимствования форм живой природы. Они применили один из подходов зеленой химии с использованием овечьей шерсти в качестве базовой структуры. Шерстяные волокна пропитали раствором полигидроксокомплексов титана в мягких гидротермальных условиях при температуре 115 oC, а затем прокалили материал на воздухе при 600 oC для удаления биотемплата.
При термической обработке основа из шерстяных волокон выгорает, но из-за высокой температуры происходит диффузия ее элементов в структуру диоксида титана. Из-за этого образуются примеси и дефекты в виде ионов титана и кислородных вакансий. Результатом синтеза становятся 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.
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. Ученые планируют 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 выступает ярким примером того, как биомиметические подходы позволяют создавать передовые и функциональные материалы.
