Катализатор для фотоокисления монооксида углерода (СО) под действием излучения широкого спектрального диапазона запатентовали ученые НГУ. Он эффективно очищает газовоздушные смеси и воздух от угарного газа при комнатной температуре и активируется не только под действием ультрафиолетового излучения, как традиционные фотокатализаторы, использующиеся в этой области, но и при естественном освещении и под действием комнатных источников света. Новый катализатор также препятствует образованию монооксида углерода в качестве побочного продукта при фотокаталитическом окислении ряда органических загрязнителей. Кроме того, он  способен разрушать химические вещества, макромолекулы, включая ДНК и РНК, и инактивировать вирусы и бактерии. Такой комбинированный катализатор может применяться в системах очистки воздуха и использоваться в качестве фотоактивного покрытия стен и других поверхностей в офисных и жилых помещениях. Авторы изобретения подчеркивают, что создали его с целью защиты окружающей среды и здоровья человека, так как угарный газ является одним из наиболее распространенных загрязнителей.

— В результате деятельности человека в атмосферу ежегодно поступает (350–600)·106 т СО, при этом более половины этого количества (56–62%) приходится на долю автотранспорта, так как содержание СО в выхлопных газах подвижного автотранспорта может достигать 12%. Монооксид углерода опасен для человека, поскольку при взаимодействии его молекул с гемоглобином крови образуется карбоксигемоглобин, который блокирует процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания. Нахождение человека в закрытом пространстве с концентрацией CO в воздухе более 1250 мг/м3 в течение часа приводит к летальному исходу. К счастью, обычно концентрации этих загрязнителей в жилых и рабочих помещениях невелики, но очистка воздуха все равно необходима, потому что длительное нахождение в контакте с этими веществами может приводить к ухудшению самочувствия людей и нанести вред их здоровью, — рассказал научный сотрудник Научно-образовательного центра Института химических технологий (ИНХИТ) НГУ, ведущий научный сотрудник группы фото- и электрокатализа Института катализа СО РАН Дмитрий Селищев.

Для решения задачи по удалению молекулярных примесей из газовоздушных смесей используются разные подходы, но наиболее эффективным способом очистки воздуха от малых концентраций загрязняющих веществ при комнатных условиях является фотокаталитическое окисление. Данный способ окисления основан на том, что под действием квантов света с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводникового фотокатализатора, происходит образование электрон-дырочных пар в объеме фотокатализатора. Образовавшиеся электрон и дырка могут мигрировать к поверхности фотокатализатора и принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях с адсорбированными соединениями. Тем самым обеспечивается высокая скорость окисления даже в случае малых концентраций загрязняющих веществ при комнатных условиях.

— Фотокаталитический метод является одним из эффективных способов очистки воздуха в помещениях от различных типов загрязнений. Он базируется на использовании специальных веществ (фотокатализаторов), которые под действием света обеспечивают окисление разных типов загрязнителей, вследствие чего они из исходного состояния, когда способны наносить вред здоровью человека, трансформируются в безвредные вещества, такие как, например, диоксид углерода и воду. Данный метод очень эффективен при очистке воздуха от органических типов загрязнителей. Проблему его очистки от монооксида углерода традиционные фотокатализаторы практически не решают, показывая очень низкую эффективность. Чтобы повысить ее до желаемой, мы провели ряд модификаций ранее разработанных нами фотокатализаторов путем нанесения на их поверхность наночастиц благородных металлов – платины и палладия. Данные частицы обеспечивают промежуточную адсорбцию молекул угарного газа, за счет чего существенно повышается скорость их окисления, — объяснил Дмитрий Селищев.

Самым известным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана, который имеет невысокую стоимость и практически нетоксичен, но при этом позволяет полностью окислить практически любые вещества за счет образования высоко реакционноспособных частиц. Главным недостатком диоксида титана как фотокатализатора является достаточно большая ширина его запрещенной зоны (3,0–3,2 эВ), в результате чего он активируется только под действием ультрафиолетового излучения и не способен поглощать кванты света видимого диапазона, что ограничивает область его использования.

Как рассказал Дмитрий Селищев, самые активные фотокатализаторы в своей основе имеют нанокристаллический диоксид титана определенного фазового состава. Чтобы сдвинуть спектр его действия по шкале длин волн в область видимого света, они предложили способ синтеза, обеспечивающий введение дополнительных примесей азота, которые приводят к появлению дополнительных энергетических уровней и таким образом уменьшают ширину запрещенной зоны. При этом активация катализатора происходит под действием светового излучения меньшей энергии, то есть с большей длиной волны.

— Фотокаталитические очистители воздуха первого поколения в своей основе имели ультрафиолетовые источники, такие как, например, ртутные лампы низкого давления. В настоящее время ртутные источники освещения в ряде стран находятся под полным запретом, в других же государствах на них вводятся ограничения с перспективой полного отказа от их использования. Поэтому возникла необходимость в переводе каталитических очистителей воздуха с ультрафиолетовых источников излучения на более эффективные и безопасные, доступные по стоимости светодиодные источники. Мы поставили перед собой задачу – создать катализатор, способный активироваться в широком спектральном диапазоне. Над ней ранее работали и другие исследователи, используя разные подходы. Мы предложили путем специального способа синтеза сочетать основные преимущества титанооксидных катализаторов, обеспечивающих высокую эффективность, с модификацией их структуры, осуществляемой путем введения в нее примеси азота за счет использования определенных реагентов и обработок, — пояснил Дмитрий Селищев.

Полученный таким образом модифицированный катализатор от его предшественника можно отличить по цвету. Исходный катализатор представляет собой порошок белого цвета. Эта окраска свидетельствует о том, что он не поглощает, а отражает видимый свет. Модифицированный катализатор в ходе проводимых с ним манипуляций становится желтым. Это означает, что он поглощает излучение видимого спектра. Такой катализатор активируется не только при видимом свете, но и под действием ультрафиолетового излучения, может использоваться в новых поколениях приборов по очистке воздуха от молекулярных примесей. 

Еще одним важным недостатком диоксида титана, как и других традиционных полупроводниковых фотокатализаторов, является его низкая адсорбционная способность по отношению к молекулам монооксида углерода, в результате чего наблюдается низкая скорость фотокаталитического окисления и низкая скорость очистки воздуха от примесей данного типа. Это тоже важно потому, что CO может образовываться в качестве побочного продукта при фотокаталитическом окислении органических загрязнителей, особенно ароматических соединений. В результате может происходить вторичное загрязнение воздуха.

Поскольку молекулы СО плохо сорбируются на поверхности, необходимо было создать дополнительные центры их абсорбции, а также центры переноса фотогенерированных зарядов. Для этого в состав нового фотокатализатора были введены наночастицы благородных металлов- платины и палладия, — при использовании определенных реагентов, обеспечивающих равномерное распределение наночастиц по поверхности фотокатализатора.

— Новый катализатор найдет применение в системах очистки воздуха. На российском рынке присутствует несколько крупных производителей, которые заинтересованы в использовании нового типа катализаторов для повышения эффективности своих изделий. Ученые НГУ работают в кооперации с ними и предлагают свои разработки для использования при создании новых поколений очистителей воздуха. Также научные сотрудники нашей лаборатории работают над созданием самоочищающихся покрытий для различных материалов и поверхностей. Данные покрытия состоят из фотоактивного компонента и связующих веществ. Мы намерены использовать модернизированный катализатор и в этой области, чтобы в постоянном режиме обеспечить пассивную очистку помещений от угарного газа. В настоящий момент проводится тестирование покрытия для стен на основе катализатора для фотоокисления монооксида углерода в лабораторных условиях, — сказал Дмитрий Селищев.