Научная группа российских ученых из Сколтеха, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» и Томского политехнического университета получила новый катализатор для фотокатализа углекислого газа. Проведенные исследования показали, что композитный катализатор на основе диоксида титана и высокоэнтропийного карбида, созданного в Томском политехническом университете методом безвакуумного электродугового синтеза, позволяет в семь раз ускорить выход метана, по сравнению с традиционно используемым оксидом титана. В перспективе новый фотокатализатор может применяться для утилизации СО2 и производства экологичного топлива. Результаты опубликованы в журнале Materials Today Energy (Q1).
Разработка эффективных технологий утилизации углекислого газа и переработки его в полезные продукты является одной из важнейших задач, стоящих перед учеными всего мира. Одно из наиболее перспективных направлений — фотокатализ, позволяющий проводить реакции в условиях окружающей среды. Традиционно для этого используют фотокатализаторы на основе диоксида титана и дорогих, благородных металлов — золота, платины, палладия. При этом несколько типов материалов — бориды, карбиды, переходные металлы, а также высокоэнтропийные материалы на их основе — демонстрируют перспективность для использования в качестве катализаторов.
В проведенных исследованиях впечатляющий потенциал для применения в катализе и переработке CO2 посредством фотокаталитической реакции показали высокоэнтропийные карбиды. Это новый класс материалов, в состав которых входят одновременно четыре-пять и более различных металлов, а также углерод. Их главная особенность заключается в способности выдерживать высокие температуры и плотности потоков энергии. Комбинируя в составе разные элементы, можно добиться необходимого сочетания свойств (каталитическая активность и селективность, температура плавления, температура окисления, удельный вес и другие).
«В нашем исследовании были созданы и изучены композитные фотокатализаторы из диоксида титана и высокоэнтропийного карбида, полученного на основе порошков титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и углерода, синтезированного безвакуумным электродуговым методом. Свойства высокоэнтропийных карбидов еще малоизучены, и в данной работе наши коллеги нашли потенциальное применение в области фотокатализа», — говорит один из авторов статьи, заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики ТПУ доктор технических наук Александр Яковлевич Пак.
Безвакуумный электродуговой метод синтеза — это оригинальный подход к получению материалов, который развивают ученые Томского политеха. Он позволяет получать материалы с помощью дугового разряда постоянного тока на открытом воздухе, без использования специального вакуумного и газового оборудования.
Исследователи уточняют: объяснение того, почему высокоэнтропийный карбид работает в составе композитного фотокатализатора, было получено в ходе анализа электронных и адсорбционных свойств высокоэнтропийного карбида методами цифрового моделирования. Так, специалисты провели моделирование адсорбции газов (прекурсоров и продуктов реакции) на высокоэнтропийном карбиде и определили, что атомы металлов в составе карбидов теряют идентичность электронной структуры. Это приводит к большему количеству активных центров адсорбции на поверхности частиц такого карбида.
«Мы провели большое количество вычислений, чтобы понять, как влияет локальная структура активного центра высокоэнтропийного карбида на адсорбционные и каталитические свойства, прежде чем начинать экспериментальные исследования. Полученный нами объем данных позволил сделать выводы о перспективности применения данного материала в фотокаталитических реакциях, а также будет использован нами далее для разработки новых предсказательных моделей на основе машинного обучения», — рассказал руководитель исследования, профессор Центра технологий материалов Сколтеха доктор физико-математических наук Александр Геннадьевич Квашнин.
Композитные фотокатализаторы восстановления СО2 были получены путем испарения суспензии, содержащей предварительно синтезированный высокоэнтропийный карбид, диоксид титана и ацетон. С помощью различных аналитических методов ученые исследовали структурные, химические, оптические свойства фотокатализаторов, фазовый и элементный состав, микроструктурные особенности.
Также в реакции восстановления CO2 под воздействием видимого света была протестирована фотокаталитическая активность полученных композитных катализаторов. Эксперименты показали, что новые катализаторы позволяют значительно увеличить выход метана по сравнению с катализаторами из немодифицированного диоксида титана. Также специалисты провели детальные эксперименты по изучению фотокатализаторов в долговременных экспериментах и нашли причины дезактивации.
«В ходе работы выяснилось, что максимальная скорость получения метана в реакции фотокаталитического восстановления СО2 под действием видимого света достигается при содержании в составе композитного катализатора 10 мас.% высокоэнтропийного карбида, синтезированного безвакуумным электродуговым методом. Эта величина в семь раз выше, чем при использовании немодифицированного диоксида титана. Исследования подтвердили повышение поглощающей способности и образование гетеропереходов между TiO2 и карбидом, что улучшает разделение зарядов и продлевает их время жизни. Таким образом, вероятно, что в фотокатализе можно успешно использовать и другие карбиды», — добавила одна из авторов статьи, ведущий научный сотрудник ИК СО РАН доктор химических наук Екатерина Александровна Козлова.
Пресс-служба ТПУ
