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

Современный тренд на снижение углеродного следа и одновременно растущее энергопотребление требуют создания новых или модернизации существующих систем производства энергии. Реализация данной концепции включает развитие области применения возобновляемых источников энергии, снижение выбросов парниковых газов, повышение энергоэффективности процессов. Как известно, сжигание ископаемых видов топлива происходит с образованием оксидов углерода (COx), выброс которых в атмосферу приводит к её загрязнению, а также выводу углерода из энергетического цикла. Использование СО и СО2 в производстве новых видов топлив позволит замкнуть углеродный цикл и будет способствовать решению проблем, связанных как с выбросами парниковых газов, так и с повышением спроса на энергоносители. Традиционные каталитические технологии трансформации оксидов углерода требуют повышенных температур и давлений, что подразумевает значительные энергетические затраты на проведение данных процессов. Разработка и внедрение фотостимулированных процессов, протекающих под действием доступного и практически неисчерпаемого солнечного излучения, позволит значительно снизить затраты и углеродный след процессов восстановления COx. Процесс гидрирования СО является основным способом получения жидких топлив (Gas-to-Liquid) в промышленности, позволяющий синтезировать высококачественные топлива и химикаты. Фотокаталитическое восстановление СО2 с образованием спиртов и углеводородов также является перспективным процессом, имитирующим функцию природного фотосинтеза. Основным фактором, сдерживающим практическое использование фотокаталитической конверсии СОx, является отсутствие эффективных гетерогенных фотокатализаторов, функционирующих под действием солнечного света. В значительной степени это обусловлено слабым поглощением фотокатализаторов излучения в видимой области, а также рекомбинацией фотогенерированных носителей зарядов. Создание композитных материалов на основе стабильных и безопасных материалов – диоксида титана и графитоподобного нитрида углерода, широко применяющихся в качестве фотокатализаторов, позволит решить вышеперечисленные проблемы. Перспективными сокатализаторами являются 2D-структуры карбидов переходных металлов типа Mn+1Сn (n = 1, 2, 3), относящиеся к классу MXene, благодаря своим уникальным свойствам: большой площади удельной поверхности, высокой электропроводности, узкой ширине запрещенной зоны, а также возможности функционализации поверхности за счет введения терминальных групп (-OH, -F и др.). Такие свойства обеспечивают повышение чувствительности композитного материала к видимому свету, увеличение времени жизни фотогенерированных зарядов и возможность функционализации материалов для настройки характеристик в зависимости от целевой реакции. Таким образом, перспективным методом трансформации COx является каталитическое восстановление на MXene-содержащих катализаторах на основе TiO2 и g-C3N4, стимулированное солнечным излучением. Если процессы фотокаталитического восстановления СО2 довольно широко изучены, то фотокаталитическое гидрирование СО исследуется крайне редко, и подходы к направленному синтезу эффективных катализаторов не разработаны. Данный проект нацелен на решение фундаментальной проблемы – разработку композитных катализаторов на основе TiO2 и g-C3N4, модифицированных Ti3C2 и Mo2C для эффективного проведения процессов восстановления СО и СО2 с образованием спиртов и углеводородов в присутствии водорода или паров воды под действием солнечного излучения при температурах до 100 °С и атмосферном давлении. Систематический подход к изучению процессов с привлечением современных методов исследования реакций в режиме in situ/operando, а также комплексная характеризация синтезированных материалов позволит сформулировать подходы направленного синтеза высокоэффективных материалов для трансформации оксида и диоксида углерода с одновременным запасанием солнечной энергии в виде химических связей.