Фотокатализаторы на основе двумерного нитрида углерода, модифицированного моно- и биметаллическими сокатализаторами, для выделения водорода и восстановления углекислого газа

Быстрый промышленный и социально-экономический рост становится причиной значительного увеличения загрязнения окружающей среды и в дальнейшем может привести к нехватке энергетических ресурсов. Использование ископаемого топлива не только истощает природные ресурсы, но и приводит к выбросам вредных парниковых газов, особенно CO2, что является основной причиной глобального потепления. Водородная энергетика рассматривается как перспективная альтернатива традиционной энергетике, основанной на применении ископаемого топлива. Получение водорода с использованием воды и солнечной энергии является многообещающим направлением для достижения углеродной нейтральности. Для решения текущих экологических проблем и замедления истощения запасов ископаемых ресурсов крайне важно исследовать возобновляемые источники энергии и разрабатывать эффективные технологии для защиты окружающей среды. Фотокатализ на полупроводниках позволяет осуществлять процессы получения Н2 и восстановление СО2 при комнатной температуре и атмосферном давлении, что выгодно отличает данный процесс от традиционных промышленных процессов. Фотокатализаторами данных процессов служат полупроводники, активирующиеся под действием излучения УФ- либо видимого диапазона. При этом важно, чтобы сам фотокатализатор и его предшественники были нетоксичными. Одним из таких фотокатализаторов является графитоподобный нитрид углерода (g-C3N4) – полимерный материал, состоящий из гептазиновых циклов. Основные недостатки данного материала заключаются в низкой площади поверхности и быстрой рекомбинации фотогенерированных носителей зарядов. Поли(триазинимид) (ПТИ) – это высококристалличный нитрид углерода, мономерами которого являются триазиновые циклы. Увеличение кристалличности может облегчить миграцию фотогенерированных носителей зарядов и уменьшить их рекомбинацию по сравнению с g-C3N4. Также для предотвращения рекомбинации используются металлы, которые взаимодействуя с полупроводником при освещении создают барьер Шоттки. Наиболее высокий барьер Шоттки формируется для металлов платиновой группы. Однако традиционные методы осаждения металлов на поверхность полупроводника, такие как химическое и фотовосстановление, чаще всего приводят к образованию агломератов частиц металлов и неполному восстановлению предшественников металлов. Нанесение металлов из комплексных соединений позволяет после восстановления получить равномерно распределенные по поверхности полупроводника наноразмерные металлические частицы. Кроме того, высокая стоимость металлов платиновой группы является невыгодной для практического применения. Вследствие этого становится актуальным поиск других переходных металлов для замены металлов платиновой группы. Однако полная замена приводит к значительному снижению каталитической активности в фотокаталитических процессах. Вследствие чего исследования направлены на частичную замену благородных металлов и создание биметаллических сокатализаторов, например, Pt-Co или Pd-Ni, со сниженным содержанием платиновых металлов без потери активности. Данный проект направлен на разработку научных подходов к направленному синтезу эффективных фотокатализаторов выделения Н2 и восстановления СО2. Будет синтезирован как традиционный материал, g-C3N4, так и ПТИ. Модифицирование будет проводиться путем нанесения карбонатных комплексов солей металлов платиновой группы (Pt, Pd) и солями переходных металлов (Ni, Co) с последующим восстановлением в токе водорода, будет исследовано влияние состава и свойств биметаллического сокатализатора на фотокаталитическую активность в процессах выделения Н2. Также наиболее активные фотокатализаторы будут исследованы в процессе восстановления СО2 до ценных продуктов. Получение результатов обеспечивается систематическими исследованиями катализаторов с использованием современных физико-химических методов и применением новых комплексных солей в качестве предшественников.