Разработка метода плазмодинамического синтеза ультрадисперсных продуктов системы Ti-O с управляемым фазовым и гранулометрическим составом для фотокаталитических приложений

Одним из направлений Стратегии научно-технологического развития РФ (указ Президента № 642 от 01.12.2016 г.) является переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, формирование новых источников энергии и т.д. Водородная энергетика вызывает большой интерес ввиду высокого потенциала снижения парниковых выбросов, однако разработка метода, не причиняющего вред окружающей среде, остаётся актуальной. В число таких методов по генерации водорода входит фотокаталитическое разложение воды, повышенное внимание учёных к которому обусловлен простотой проведения процесса и относительной дешевизной. На сегодняшний день диоксид титана является одним из самых перспективных полупроводниковых материалов в области фотокатализа благодаря своим свойствам, таким как высокая стабильность, малая стоимость, нетоксичность и высокая фотокаталитическая активность. Однако этот материал обладает низкой квантовой эффективностью ввиду слабого разделения фотогенерированных носителей заряда. К тому же существует ещё одно ограничение применения TiO2 в качестве фотокатализатора – спектр его поглощения, длина волны которого составляет менее 380 нм, что обуславливает возможность его использования лишь в области ультрафиолетового излучения. Таким образом, одной из основных проблем повышения эффективности диоксида титана как фотокатализатора является расширение спектральной области его чувствительности без ухудшения других параметров, определяющих фотоактивность (рекомбинационные потери носителей, характеристические размеры частиц твердого тела, морфология поверхности и др.). В качестве решения поставленной проблемы предлагается получение дисперсного диоксида титана управляемым методом плазмодинамического синтеза. Особенностью указанного метода является достижения высоких значений температур и давления за короткий промежуток времени, что в совокупности с высокой скоростью кристаллизации способствует образованию ультрадисперсных частиц. Стоит отметить, что этот метод позволяет не только получать дисперсные структуры требуемого фазового состава, но также осуществлять процесс допирования в едином экспериментальном цикле. Это, в конечном итоге, положительным образом сказывается на увеличении фотокаталитической активности синтезируемых материалов на основе диоксида титана. Целью данного проекта являлась разработка управляемого метода плазмодинамического синтеза ультрадисперсных продуктов системы Ti-O для фотокаталитических приложений. Для достижения поставленной цели оптимизирован уникальный метод по получению дисперсных материалов – метод плазмодинамического синтеза, позволяющий управлять фазовым и гранулометрическим составом и осуществлять допирование в едином экспериментальном цикле, что, как следствие, позволяет управлять шириной спектральной области и влиять на фотоактивность материала. Задачи проекта: 1) экспериментально определить влияние соотношения прекурсоров в газовой смеси (O2+Ar) на гранулометрический и фазовый состав продукта, морфологию частиц и параметры кристаллической решётки; 2) экспериментально определить влияние параметров электропитания ускорителя на гранулометрический и фазовый состав продукта, морфологию частиц и параметры кристаллической решётки; 3) экспериментально определить воздействие температуры окружающей среды на гранулометрический состав синтезированного материала; 4) реализовать допирование получаемого продукта различными катионными и анионными примесями (железом и азотом) в едином экспериментальном цикле плазмодинамического синтеза; 5) исследовать фотокаталитические свойства продукта плазмодинамического синтеза; 6) определить оптимальный состав продуктов синтеза системы Ti-O для эффективного применения в качестве фотокатализаторов. В рамках проекта определены основные общие факторы и закономерности, позволяющие регулировать фазовый и гранулометрический состав конечных продуктов в системе Ti-O. Полученные ультрадисперсные материалы характеризуются смещением края оптического поглощения из ультрафиолетовой в видимую область, в частности, ширина запрещенной зоны Eg≈2,7 эВ, что обеспечивает их повышенную фотокаталитическую активность и возможность применения для создания фотокатализаторов в устройствах получения водорода из воды и деструкции органических загрязнителей при очистке воды.