Конверсия оксидов углерода на композитных mxene-содержащих фотокатализаторах под действием солнечного света

В результате выполнения работ на первом году реализации проекта была отрабо-тана методика синтеза двумерного карбида титана Ti3C2Tx (Tx = -F, -O, -OH), а также ком-позитных фотокатализаторов Ti3C2Tx/g-C3N4, Ti3C2Tx/TiO2. Синтезировано и исследовано в процессе восстановления СО2 под действием излучения светодиода (400 нм) 30 фотоката-лизаторов, наиболее активный протестирован в реакции восстановления СО. Отработано методики синтеза Ti3C2Tx и нанесения его на поверхность g-C3N4 и TiO2 для определения наиболее эффективных подходов к созданию композитных фотокатализаторов Ti3C2Tx/g-C3N4 и Ti3C2Tx/TiO2. Массовое содержание Ti3C2Tx в композитных фотокатализаторах ва-рьировали от 0.5 до 20 масс. %. Фотокатализаторы на основе TiO2 показали более высокую активность, чем фото-катализаторы на основе g-C3N4. Скорости образования CH4 и CO в реакции восстановле-ния СО2 в присутствии паров воды под действием излучения светодиода (400 нм) на наиболее активном фотокатализаторе 5 масс. % Ti3C2Tx/TiO2 составили 2.2 мкмоль ч-1 гкат-1 и 0.9 мкмоль ч-1 гкат-1, соответственно. При восстановлении СО2 в присутствии H2 ско-рость образования метана несколько возрастает, а СО – снижается, также наблюдается об-разование С2 продукта – этана. Скорости образования CH4, C2H6 и CO в данном случае составили 2.4 мкмоль ч-1 гкат-1, 0.2 мкмоль ч-1 гкат-1 и 1.2 мкмоль ч-1 гкат-1, соответственно. В процессе фотокаталитического восстановления СО на фотокатализаторе 5 масс. % Ti3C2Tx/TiO2 также наблюдается образование этана, однако скорость реакции в данном случае ниже, чем при восстановлении СО2. Скорости образования CH4 и C2H6 при вос-становлении СО под действием светодиода (400 нм) составили 0.09 мкмоль ч-1 гкат-1 и 0.05 мкмоль ч-1 гкат-1, соответственно. Исследование зависимости скорости реакции восстановления СО2 в присутствии паров воды от температуры на фотокатализаторе 5 масс. % Ti3C2Tx/TiO2 показало, что по-вышение температуры до 50 °С увеличивает скорость реакции в 1.6 раза: R(CH4) = 3.7 мкмоль ч-1 гкат-1, R(CО) = 1.4 мкмоль ч-1 гкат-1, Rе = 32.0 мкмоль ч-1 гкат-1. Дальнейшее повы-шение температуры приводит к снижению скорости реакции, вызванное деградацией фо-токатализатора. Двумерный карбида титана Ti3C2Tx в условия реакции восстановления СО2 подвергается частичному окислению, причем глубина окисления увеличивается с повышением температуры. Окисление Ti3C2Tx также обуславливает низкую стабильность композитных фотокатализаторов. При проведении длительных циклических эксперимен-тов было установлено, что скорость фотокаталитической реакции снижается уже после первого цикла (5 ч реакции), а далее не претерпевает значительных изменений. Фотокатализатор 5 масс. % Ti3C2Tx/TiO2 был протестирован в реакции восстанов-ления СО2 в присутствии паров воды под действием солнечного излучения (спектр стан-дарта AM1.5G). Как и в экспериментах с использованием светодиода (400 нм), скорость образования СН4 в данном случае превышает скорость образования СО. Можно заклю-чить, что нанесение Ti3C2Tx является эффективным подходом к модификации TiO2 для по-вышения активности в реакции восстановления СО2, поскольку даже под действием сол-нечного излучения позволяет формировать центры с высокой электронной плотностью, достаточной для снятия кинетических затруднений процесса образования метана. Скоро-сти образования CH4 и CO в данном случае составили 0.9 мкмоль ч-1 гкат-1 и 0.4 мкмоль ч-1 гкат-1, соответственно. Методом ИК-спектроскопии in situ исследована трансформации СО2 на поверхно-сти Ti3C2Tx/TiO2 в ходе фотокаталитической реакции. Наблюдаемое изменение спектров позволяет подтвердить предполагаемый механизм, который включает изменение гибри-дизации атома углерода и образование формиатных комплексов, которые являются про-межуточным интермедиатом реакции восстановления CO2 до метана и других соедине-ний. Все запланированные на первый год реализации проекта научные результаты до-стигнуты. Опубликована работа в журнале, индексируемом в базах данных Scopus/WoS/РИНЦ и входящем в первый квартиль Q1. Приняты к публикации две рабо-ты в журналах, индексируемых в базах данных Scopus/WoS/РИНЦ, один из которых вхо-дит в первый квартиль Q1. Сделано шесть устных доклада на престижных конференциях, в том числе пленарный, 2 ключевых и 1 приглашенный доклад.