Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из России и ОАЭ открыли наиболее эффективную структуру вещества для фотокатализа в видимом диапазоне. Это важно для создания высокоэффективных и экологически чистых катализаторов для очистки воды от органических загрязнителей: красителей, фармацевтических препаратов, пестицидов, нефти и др. Результаты работы опубликованы в журнале Catalysis Science and Technology.
Обесцвечивание красителя под действием разработанного катализатора. Фото пресс-службы МФТИ.
По данным Росгидромета, каждый год в России фиксируют более 2,5 тысяч высокого и экстремально высокого загрязнения поверхностных вод. В основном токсичные вещества попадают в реки и озера прямо с промышленных производств. Среди них велика доля органических соединений: красителей, фармпрепаратов, пестицидов и др.
Фотокатализ – это перспективная технология для очистки воды и воздуха, позволяющая использовать энергию солнечного света для разложения токсичных органических загрязнений. Но большинство современных фотокатализаторов работают только с ультрафиолетом, который составляет около 5% от всего солнечного спектра. Остальные 50% энергии, которые приходятся на видимый диапазон, пропадают впустую.
Чтобы заставить их использовать видимый свет, нужно перестроить электронную структуру материалов, которая определяет его оптические свойства. При этом традиционные методы химического синтеза либо не позволяют точно контролировать дефекты в материале, либо требуют использования химических добавок, которые могут блокировать активные центры.
Этот барьер преодолели учёные МФТИ, применив для синтеза катализаторов фемтосекундную лазерную абляцию в жидкостях. Мощные короткие лазерные импульсы испаряют вещество с поверхности, после чего оно конденсируется в наночастицы с уникальными свойствами. Так учёные получают стабильный коллоидный раствор катализатора, который не содержит поверхностно-активных веществ и синтезирован в самом экологичном растворителе — воде.
В новом исследовании учёные подвергли абляции (испарению вещества с поверхности) два материала на основе ниобия: пентаоксид ниобия и ниобат лития. Эксперимент показал, что лазерное воздействие ведёт их по разным путям: кристаллическая решетка пентаоксида ниобия разрушается, и материал переходит в полностью аморфное состояние. В свою очередь, ниобат лития, обладающий высокой термодинамической стабильностью, сохраняет кристаллическую структуру и приобретает множество контролируемых дефектов.
Схематическое изображение структурных преобразований, происходящих в результате лазерной абляции. a — кристаллический Nb₂O₅ и b — LiNbO3 — исходные порошки. Аморфные наночастицы – из Nb₂O₅ (c), тогда как кристаллические наночастицы – из LiNbO₃ (d). Источник: Catalysis Science and Technology
«Самым выигрышным оказался второй путь — сохранить кристаллический каркас и внедрить в него точечные контролируемые дефекты. Аморфизация создает в материале широкий набор размытых электронных состояний. Они работают как ловушки, где заряды, рождённые светом, мгновенно гасят друг друга.
Но дискретные дефекты в кристаллической решетке позволяют материалу поглощать видимый свет и эффективно разделяют заряды, продлевая их жизнь. Это дает время носителям заряда, чтобы добраться до поверхности наночастицы и преобразовать окружающие кислород и воду в активные формы кислорода: гидроксильные радикалы и супероксид-анионы. Именно они разрушают загрязнители и эффективно очищают воду», — Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Различия в свойствах Nb₂O₅ и LiNbO₃. (а, б) (a) Уширение плотности электронных состояний, вызванное аморфизацией Nb₂O₅. Сокращение времени жизни носителей заряда; (б) Узкие энергетические уровни, вызванные образованием дефектов в структуре LiNbO₃. Увеличение времени жизни носителей заряда. (в) Низкое поглощение видимого света аморфным Nb₂O₅, (г) высокое поглощение видимого света LiNbO₃, способствующее генерации активных форм кислорода. Источник: Catalysis Science and Technology
В результате нанокатализатор на основе ниобата лития ускорил фотокаталитическую деградацию красителя в 2,3 раза по сравнению с аморфным оксидом ниобия и позволил очистить раствор на 90% всего за 150 минут.
Таким образом, работа даёт фундаментальное понимание того, как свойства аблируемых материалов предопределяют их трансформацию. Теперь учёные планируют оптимизировать процессы, опробовать метод на новых материалах и масштабировать технологию для практического применения.
________________________________________
В работе приняли участие учёные из центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, МИФИ, ЮЗГУ (Курск), ИХТРЭМС КНЦ РАН (Апатиты, Мурманская область), ПНИПУ (Пермь), XPANCEO (ОАЭ). Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования России (соглашение 075-15-2025-608).
