Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Уральского отделения Российской академии наук (УрО РАН) применили диоксид титана в разработках технологии очистки воды и воздуха от вредных органических веществ — физики вырастили тонкие пленки нанотрубок диоксида титана, являющиеся фотокатализатором.
Поглощая фотоны солнечного или искусственного света видимого спектра, вещество ускоряет процесс разложения загрязняющих органических примесей. Как показали испытания в Институте катализа Сибирского отделения РАН, созданный фотокатализатор обладает высоким КПД и в два раза продуктивнее аналогов. Авторы изобретения объясняют это его особыми качествами — высокой удельной поверхностью и нестехиометрией — отклонением химического состава соединения от стехиометрического, в котором химические элементы присутствуют в строго определенном соотношении.
«Наша разработка не только экономически эффективна, но, что самое главное, экологична, — подчеркивает руководитель научного проекта, академик РАН, директор Института металлургии УрО РАН, профессор кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Андрей Ремпель. — Используя солнечный свет, мы обходимся без дополнительных источников энергии, без вредного ультрафиолета. Более того, с помощью диоксида титана можно извлекать водород, это делается путем расщепления обыкновенной воды на водород и кислород. Эта технология тоже способствует развитию “чистой” водородной энергетики. Водород можно получить по-разному, в том числе энергоемкими способами, таким как электрохимия, которые к тому же требуют строительства гидроэлектростанций или других источников электроэнергии, следовательно, ведут к урону природе. Мы же создаем такие условия, чтобы технологии работали в соответствии с принципами “зеленой” химии, не нанося вреда окружающей среде».
По мнению Репмеля, мир стоит на пороге массированного перехода к «зеленому» производству. В частности, партнеры уральских ученых из числа предпринимателей Екатеринбурга и Свердловской области выражают готовность приступить к выпуску нанотрубок диоксида титана и высокотехнологичных изделий из них в промышленных объемах.
«На Урале очень высокая концентрация титано-магнетитовых руд, из которых можно получать диоксид титана. Можно сказать, мы ходим ногами по сырью для “выращивания” нанотрубок. С давних пор из этих руд выплавляют чугун, затем стали изготовлять сталь, в конце прошлого века начали получать наноматериалы, а сегодня мы создаем наноматериалы для “зеленой” химии и энергетики», — добавляет профессор.
Кроме того, подчеркивают доктор физико-математических наук, профессор РАН Илья Вайнштейн и кандидат физико-математических наук, доцент Александр Вохминцев, нестехиометрическая модификация диоксида титана с морфологией в виде нанотрубок открывает дополнительные возможности к разработке новых элементов наноэлектроники — в частности, мемристорных ячеек быстродействующей энергонезависимой памяти и прообразов твердотельных синапсов для развития реальных технологий искусственного интеллекта. По словам кандидата химических наук, доцента Альбины Валеевой, нестехиометрический диоксид титана можно с успехом использовать для создания солнечных батарей и газовых сенсоров.
Тематика диоксида титана актуальна во всем мире, непосредственно УрО РАН и УрФУ сотрудничают с коллегами из России, Германии, Австрии, Японии. Описанию мирового и отечественного опыта и перспектив данного направления современной науки и производства посвящена обзорная статья «Нанотрубки диоксида титана: синтез, структура, свойства и применение», которую в настоящее время готовит к публикации группа академика Ремпеля. Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».