Дизайн пьезо-фотокатализаторов на основе перовскитоподобных слоистых оксидов

Научная проблема, на решение которой направлен проект, состоит в научно обоснованной разработке высокоэффективных пьезофотокатализаторов на основе полимер-неорганических композитов для реализации концепции двойного фотокатализа с целью их практического использования в значимых для экологии процессах очистки воды. Актуальность создания таких материалов обусловлена необходимостью развития циркулярной экономики в ответ на вызовы, стоящие перед современным обществом – в частности, деградацию окружающей среды при росте промышленного производства. Об актуальности исследований в этом направлении свидетельствует чрезвычайный рост числа работ в области пьезофотокатализа в 2023-2024 гг. как способа повышения эффективности фотокатализаторов. Конкретная задача проекта – создание новых композитов полимер – неорганический оксид, активных в видимом диапазоне в процессах пьезофотокаталитического окисления органических загрязнителей воды. Новизна проекта заключается в создании принципиально нового класса гибких, легко извлекаемых полимер-неорганических тонкопленочных пьезофотокатализаторов для окисления органических веществ. Перспективность разрабатываемых композитов определяется особенностями неорганического компонента – его сегнетоэлектрическими свойствами и слоистым типом перовскитоподобной структуры, открывающим широкие возможности модификации межслоевого пространства органическими молекулами для увеличения фотокаталитической активности и варьирования области светопоглощения. Возможность расщепления частиц этого класса соединений на слои нанометровой толщины также должна способствовать эффективной диспергации неорганических частиц в полимерной матрице. В качестве неорганического компонента выбраны слоистые оксиды из классов фаз Ауривиллиуса и Диона-Якобсона (титанаты, титанониобаты и ниобаты висмута, щелочных и редкоземельных металлов) с известными или недавно обнаруженными сегнетоэлектрическими свойствами. Специфика полимерной матрицы – поливинилиденфторида (ПВДФ) – состоит в том, что наряду с высокой термической, химической, механической устойчивостью и способностью гибко изменять морфологию при введении модификаторов, он обладает пьезоэлектрическими свойствами. Сочетание эффекта пьезоэлектрической поляризации при ультразвуковом воздействии и стимулирования переноса электронов в органо-неорганических композитных фотокатализаторах будет способствовать уменьшению электрон-дырочной рекомбинации, и, как следствие, повышению эффективности использования фотонов и, соответственно, увеличению фотокаталитической активности. Образцы композитов будут получены в виде мембран методом фазовой инверсии из нерастворителя и в виде волокнистых образцов с использованием технологии электроформования. Достоинство таких фотокатализаторов заключается в том, что наночастицы наполнителя будут закреплены на поверхности ПВДФ, и такой дизайн позволит избежать вторичного загрязнения раствора наночастицами и облегчит его повторное использование. Характеризация композитов будет проведена с использованием широкого спектра современных физико-химических методов исследования структуры и свойств, включая рентгенодифракционный анализ, сканирующую электронную и атомно-силовую микроскопию, ЯМР-, ИК-спектроскопию, спектроскопию диффузного отражения, фотолюминесценцию, термический анализ, метод БЭТ, а также ряд методов элементного анализа. Научная значимость проекта определяется применением комплекса экспериментальных методов по разработке новых подходов к созданию фотокатализаторов на основе органо-неорганических материалов, активных в видимой области спектра в сочетании с внедрением новых приемов увеличения фотокаталитической активности за счет пьезоэлектрического эффекта. Достижимость решения поставленных задач определяется большим опытом работы членов коллектива в области фотокатализа, имеющимся научным заделом и экспериментальной базой, а также уникальной приборной базой Научного Парка СПбГУ.