Наноструктурированные композитные катализаторы на основе оксида кобальта для полного фотокаталитического разложения воды и получения водорода под действием солнечного света (промежуточный)

Фотокаталитическое разложение воды под действием солнечного света с образованием молекулярного водорода представляется одним из перспективных направлений развития энергетики будущего, так как согласно экспертным оценкам оно может обеспечить большую эффективность преобразования энергии солнечного излучения по сравнению с другими типами процессов. В результате многолетних исследований в мире были разработаны материалы, способные фотокаталитически разлагать воду под действием УФ-излучения дальнего и ближнего диапазонов [1]. Но в настоящее время основной фокус внимания исследователей смещён в сторону поиска материалов для эффективного преобразования излучения видимого диапазона, так как только в данном случае можно достичь требуемых показателей, которые смогут обеспечить рентабельность при практической реализации процесса [2,3]. Созданию таких материалов и посвящен выполняемый проект. В качестве объектов исследования были предложены материалы на основе оксида кобальта (II) в сочетании с другими полупроводниками и носителями. В первый год реализации проекта основное внимание уделялось рассмотрению подходов «сверху-вниз», основанных на применении высокоэнергетического воздействия на массивный оксид кобальта с целью его перевода в наноразмерное состояние. Во второй год были рассмотрены химические методы синтеза оксида кобальта с использованием его неорганических солей и предшественников, содержащих органические лиганды. Синтезированные образцы CoO характеризовались шириной запрещённой зоны 2.5–2.6 эВ. При этом образующиеся частицы CoO имели сферическую форму с размером больше 100 нм, что являлось причиной их очень низкой активности в разложении воды. В случае сольвотермального синтеза из ацетата кобальта (II) в смеси этанола и октанола формирующиеся частицы CoO имели форму октаэдров и способны были фотокаталитически разлагать воду. Было показано, что основным механизмом дезактивации фотокатализаторов на основе CoO при длительном облучении является окисление поверхности частиц CoO с образованием Co3O4, который термодинамически более устойчивый. Особенно это было заметно при синтезе образцов с применением метода лазерной абляции, когда высокоинтенсивное излучение (532 нм) приводило к диспергации массивного CoO, но наблюдалось большое количество фазы Co3O4. Для того, чтобы уйти от негативного влияния примесей воды в случае сольвотермального синтеза с органическими предшественниками, рассматривали комбинированный синтез из водного раствора нитрата кобальта путём гидротермальной обработки с последующим прокаливанием осадка в инертной атмосфере. Добавление мочевины в реакционную смесь приводило к формированию нановолокон гидроксокарбоната кобальта, которые в ходе термической обработки трансформировались в нановолокна CoO. С использованием графитоподобного нитрида углерода был получен композитный фотокатализатор, который был способен осуществлять разложение воды под действием освещения с параллельным образованием молекулярного водорода и кислорода в соотношении чуть меньшем, чем стехиометрическое. В проточных условиях максимальная скорость выделения водорода под действием видимого света составила 2 нмоль H2/мин. В ходе длительного освещения наблюдалось небольшое снижение активности фотокатализатора, но затем она вышла на постоянный уровень и сохранялась в течение 37 часов эксперимента. На следующий этап проекта запланированы работы по оптимизации методик синтеза композитных фотокатализаторов с целью повышения эффективности преобразования света.