ИСТИНА

Проект направлен на разработку весьма актуальных энергосберегающих функциональных материалов нового поколения, на поверхности которых происходит деструкция токсичных примесей, вирусов и бактерий под действием освещения в видимом диапазоне света, продолжающаяся и после прекращения светового воздействия. В предлагаемых структурах будут устранены имеющиеся на сегодняшний день недостатки фотокатализаторов на основе оксидов металлов, связанные в первую очередь с необходимостью непрерывного освещения в видимом диапазоне и низкой скоростью фотокатализа, либо требующие фотовоздействия в УФ диапазоне и характеризующиеся деградацией каталитических свойств при хранении. Аналогов заявляемым фотокаталитическим системам не существует. Разрабатываемые наносистемы будут предназначены, в первую очередь, для применения в сферах экологии (очистка окружающей среды), медицины и быта (самостерилизация различных поверхностей). Выбор нанокристаллических оксидов металлов в качестве исходного материала обусловлен присущими им уникальными свойствами, в частности, наличием чрезвычайно развитой удельной поверхности, доступной для взаимодействия с молекулами окружающей среды. Таким образом, с одной стороны, на поверхности в достаточном количестве присутствуют молекулы кислорода и воды – «сырье» для образования радикалов под действием освещения, а с другой стороны, обеспечивается хороший контакт с веществами, загрязняющими атмосферу, вирусами и бактериями. В рамках междисциплинарного подхода при выполнении проекта будет реализовано комплексное и целенаправленное исследование структурных и оптоэлектронных свойств разработанных фотокатализаторов с использованием уникальных методов, на основе ЭПР спектроскопии и метода молекулярных люминесцентных зондов, для получения всей необходимой информации о взаимосвязи морфологии образцов, их химического состава, природы и концентрации радикалов, отвечающих за эффективность окислительно-восстановительных реакций, и механизмов протекающих в них фотоэлектронных процессов. Это позволит целенаправленно оптимизировать параметры формирования катализаторов и создать лабораторные образцы материалов с требуемыми характеристиками.

The project is aimed at the development of very actual new generation of energy-saving functional materials, providing on their surface under illumination with visible light destruction of toxic impurities, viruses and bacteria, which continues after the exposure to light is finished. The proposed structures will eliminate the current shortcomings of metal oxide photocatalysts, primarily due to the need for continuous illumination by visible light with low photocatalysis speed, or requiring UV illumination, and characterized by degradation of catalytic properties during storage. Analogues of the claimed photocatalytic systems do not exist. The developed nanosystems will be designed primarily for use in the fields of ecology (environmental cleaning), medicine and everyday life (self-sterilization of various surfaces). The choice of metal nanocrystalline oxides as a starting material is due to their unique properties, in particular, the presence of an extremely developed specific surface area available for interaction with environment molecules. Thus, on the one hand, there are enough oxygen and water molecules on the surface – "raw materials" for radicals formation under illumination, and on the other hand, good contact with substances that pollute the atmosphere, viruses and bacteria is ensured. In the course of the interdisciplinary approach to the project, a comprehensive and targeted study of the structural and optoelectronic properties of the developed photocatalysts will be carried out using unique methods based on EPR spectroscopy and the method of molecular luminescent probes to obtain all the necessary information about the relationship between the morphology of the samples, their chemical composition, the nature and concentration of radicals responsible for the efficiency of oxidation-reduction reactions, and the mechanisms of the photoelectronic processes occurring inside them. This will allow to optimize the parameters of catalyst formation and to produce laboratory samples of the materials with the required characteristics.

1. Будет усовершенствована (с использованием данных литературного обзора и собственных результатов) технология формирования наногетероструктур, одним из соединений в которых является фотоактивный нанокристаллический диоксид титана, легированный различными примесями (N, C, Cr), а другим – редокс-активные оксиды молибдена, вольфрама и ванадия и сформированы структуры: TiO2/MoO3, TiO2/WO3, TiO2/ V2O5, TiO2/MoO3/V2O5. 2. Будет усовершенствована (с использованием данных литературного обзора и собственных результатов) технология формирования микросфер, состоящих из комбинации фотоактивного нанокристаллического диоксида титана, легированного различными примесями (N, C, Cr), с редокс-активными оксидами молибдена, вольфрама и ванадия и сформированы структуры: TiO2/MoO3, TiO2/WO3, TiO2/MoO3/V2O5, TiO2/WO3/V2O5, TiO2/MoO3/WO3, TiO2/MoO3/V2O5/WO3. Для сравнительного анализа будут синтезированы микросферы, состоящие из нанокристаллов одного типа (TiO2, MoO3, WO3, V2O5). 3. Будут синтезированы нанокристаллические оксиды титана, молибдена, вольфрама и ванадия, входящие в состав указанных выше сложных систем, для сравнительного анализа и выявления особенностей протекания фотоэлектронных процессов с участием радикалов в многокомпонентных структурах. 4. Будут изучены структурные свойства всех полученных материалов (п.1–3) с использованием электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. 5. Будет определена удельная площадь поверхности исследуемых образцов (метод БЭТ). 6. Будут изучены оптические и фотокаталитические свойства всех полученных материалов (п.1–3) с помощью спектроскопии диффузного отражения. 7. В исследуемых образцах будет изучена природа, локальное окружение и основные свойства радикалов методом ЭПР. Будет проведено численное моделирование спектров ЭПР и получены параметры радикалов, необходимые для их идентификации. Будут рассчитаны концентрации радикалов во всех исследуемых образцах. 8. Впервые, используя предложенный нами ранее метод, будет определено положение уровней энергии соответствующих радикалов в запрещенной зоне всех исследуемых образцов и построены для них соответствующие модели зонных диаграмм. 9. Впервые будут изучены процессы разделения и накопления заряда в исследуемых структурах с помощью собственного оригинального метода. Для исследования деструктивной способности структур будут использованы тестовые реакции окисления красителя Родамина 6Ж и/или Родамина Б, нанесенного на поверхность образцов. Исследования будут выполнены в цикле темнота-освещение-темнота при различных температурах. Будет сделан сравнительный анализ полученных результатов на предмет поиска корреляции между эффективностью процессов катализа (как при освещении, так и в темноте) и накопления заряда в исследуемых образцах. 10. Впервые будет исследован фотокатализ «in situ» в исследуемых структурах с использованием разработанного нами метода (в резонаторе спектрометра ЭПР) для выявления роли радикалов: выяснения, какие из них непосредственно участвуют в реакциях разложения токсичных веществ на поверхности образцов, т.е определяют скорость фотокатализа. 11. Будет выполнен теоретический анализ фотоиндуцированных реакций радикалов в исследуемых структурах, в основе которого лежит решение системы кинетических уравнений для реакций перезарядки и превращения радикалов в исследуемых объектах. Таким образом, будут изучены механизмы генерации, переноса и превращения радикалов путём сравнения результатов расчётов с экспериментальными данными. 12. Впервые будет выполнено систематическое изучение влияния морфологии и химического состава исследуемых структур на их фотоэлектронные свойства с последующей выработкой рекомендаций по целенаправленному улучшению параметров синтеза образцов для достижения цели проекта. 13. Впервые будет разработана модель фотоэлектронных процессов в структурах на основе нанокристаллических оксидов металлов, учитывающая как основные закономерности, так и выявляющая их особенности, и установлена роль радикалов в данных процессах. 14. Впервые будет выполнено систематическое исследование на предмет деградации фотокаталитических свойств всех исследуемых образцов в зависимости от времени хранения (в течение 3 лет) как при «комнатной» температуре (25 °С), так и при повышенных температурах (40–80 °С). Будет выявлено, какие из сформированных структур (морфология и химический состав) сохраняют свои функциональные характеристики наиболее длительное время. 15. Будет выполнена оптимизация (с учетом полученных данных) условий формирования фотокаталитических структур на основе нанокристаллических оксидов металлов и сформированы прототипы энергоэффективных каталитических структур, функционирующих при освещении в видимом диапазоне света.

Вот уже более 20 лет коллектив исполнителей проекта занимается разработкой и последующим усовершенствованием методов формирования полупроводниковых наноматериалов, исследованием их структурных, электрофизических, оптоэлектронных и фотокаталитических свойств. Преимущество исследований, выполненных коллективом, заключается в междисциплинарном подходе и детальном анализе фотоэлектронных процессов в нанокристаллических полупроводниках, развитии физических моделей указанных процессов, разработке собственных оригинальных методов исследования нанообъектов. В числе достижений исполнителей проекта разработанные нами оригинальные методы: метод определения положения энергетических уровней радикалов в запрещенной зоне полупроводниковых материалов, в основе которого лежит изменение амплитуды спектра ЭПР при облучении образцов квантами света с различной энергией непосредственно в резонаторе спектрометра, а также метод диагностики и изучения процессов разделения и накопления заряда в указанных объектах.