Российские учёные разработали новый тип фотокатализаторов, способных эффективно разлагать органические загрязнения под действием как ультрафиолетового, так и видимого света. Для создания материала исследователи использовали овечью шерсть в качестве биотемплата, что позволило улучшить свойства традиционного диоксида титана.
Работу выполнили специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» совместно с учёными Ивановского государственного химико-технологического университета.
Диоксид титана (TiO₂) широко применяется в технологиях очистки воды и воздуха благодаря способности разрушать органические загрязнения при воздействии света. Однако традиционные фотокатализаторы на его основе активируются только ультрафиолетовым излучением, которое составляет примерно 5 % солнечного спектра.
При этом около 45 % солнечного излучения приходится на видимый свет, поэтому учёные стремятся создать материалы, способные эффективно работать именно в этом диапазоне.
Для решения задачи исследователи применили биотемплатный метод, относящийся к принципам зелёной химии.
В качестве природного шаблона использовали волокна овечьей шерсти, которые пропитывали раствором полигидроксокомплексов титана. Процесс проводился в мягких гидротермальных условиях при температуре около 115°C.
После этого материал подвергался прокаливанию на воздухе при температуре 600°C, в результате чего органическая основа выгорала, а на её месте формировалась наноструктурированная матрица диоксида титана.
По словам ведущего научного сотрудника Института катализа СО РАН Дмитрия Селищева, в процессе термической обработки элементы шерсти диффундируют в структуру оксида титана, создавая дефекты и примеси.
Это приводит к появлению кислородных вакансий, дополнительных ионов титана и модифицированной электронной структуры
В результате образуются нанокристаллы анатаза и рутила размером 15–20 нм, которые способны поглощать свет в видимой области спектра. В отличие от обычного белого TiO₂ новый материал имеет кремовый оттенок, что свидетельствует о расширенном спектре поглощения света.
Новый фотокатализатор может использоваться в различных экологических технологиях, включая:
- системы очистки воздуха в лабораториях и медицинских учреждениях,
- фильтрацию воздуха на предприятиях с вредными условиями труда,
- очистку сточных вод от органических красителей,
- разложение фармацевтических загрязнителей в воде.
Кроме того, исследователи планируют создать самоочищающиеся покрытия на основе разработанного материала.
Использование природного биоматериала и относительно простого гидротермального синтеза делает технологию перспективной для масштабирования.
По словам учёных, разработка демонстрирует потенциал биомиметических подходов, когда решения для создания новых материалов заимствуются у природных структур.
Такие технологии могут сыграть важную роль в развитии экологически безопасных методов очистки среды и создании материалов нового поколения.