Ученые разработали новый тип фотокатализаторов – наноструктуры из диоксида титана. Полые внутри нанокубы с ультратонкими стенками действуют как своеобразные нанореакторы и позволяют в 28 раз эффективнее проводить органические реакции при комнатной температуре под воздействием видимого света. Статья о разработке опубликована в Applied Catalysis B: Environmental.
Традиционные способы производства фармацевтических препаратов, удобрений и пестицидов, пищевых добавок и других полезных продуктов из органического сырья требуют высоких давлений и температур. Один из способов сделать химическую промышленность менее энергозатратной — фотокатализ. Вещества-фотокатализаторы способны ускорять органические реакции под воздействием света в нормальных условиях, без нагрева или повышения давления. Одним из перспективных фотокатализаторов считается диоксид титана. Однако его фотокаталитическая активность запускается только под действием ультрафиолета, то есть всего 5% солнечного излучения. Более активным катализатором диоксид титана становится в виде полых наноструктур. Новый тип таких структур с высокой фотокаталитической активностью описал Рафаэль Луке, директор центра «Молекулярного дизайна и синтеза инновационных соединений для медицины» РУДН, совместно с коллегами из Ирана.
Разработка черных полых нанокубов из диоксида титана, или BHC-TiO2, продолжалась более двух лет. Созданный учеными подход к дизайну наноструктур значительно проще, чем известные ранее методы. Процедура занимает всего два-три дня и делится на четыре основных шага. В начале химики готовят нанокубы из гематита, затем покрывают их диоксидом титана. На третьем шаге из кубов вымывают «сердцевину» раствором соляной кислоты, так что остается только ультратонкая оболочка из диоксида титана. Завершающая стадия — прокаливание при температуре 550 °С в атмосфере из водорода и аргона. После этого образцы и становятся черными полыми нанокубами.
«Главные преимущества наших структур — прочность и возможность применения в разных целях, — говорит Рафаэль Луке. — При этом процесс синтеза BHC-TiO2 значительно проще, чем у других наноструктур. Они могут использоваться как фотокатализатор и для очистки воды, ускоряя разложение загрязняющих веществ, и для переработки биомассы. Сейчас в нашем центре мы исследуем возможности фотокатализа в производстве органического сырья».
Ученые проверили каталитическую активность нанокубов нескольких видов — цельных из диоксида титана, полых и черных полых BHC-TiO2, подвергавшихся прокаливанию — в эксперименте по синтезу бензимидазола. Производные этого вещества широко востребованы в фармацевтике. Часть образцов подвергалась воздействию света видимого спектра от обычной галогеновой лампы, часть — ультрафиолетовому излучению.
Частицы BHC-TiO2 показали высокую каталитическую активность под излучением обоих видов. Причем под действием видимого света было переработано 86% исходного вещества — в 28 раз больше, чем с применением цельных (не полых) нанокубов диоксида титана. Химики считают, что такую активность новых структур обеспечивают полая структура, большая площадь поверхности и пористость ультратонкой стенки. Благодаря этим свойствам нанокубы работают как «нанореакторы»: отражают и рассеивают свет и легко поглощают органические вещества, так что внутри кубов создается среда для эффективных реакций. Важную роль играют также ионы Ti³+, образованные на поверхности нанокубов под воздействием прокаливания. Ученые РУДН предполагают, что они облегчают передачу электронов, благодаря чему вся структура воспринимает свет видимого спектра (а не только ультрафиолетовое излучение, как в случае с чистым диоксидом титана).
Эксперимент показал высокую прочность «нанореакторов»: даже после шестого использования структуры сохраняют форму и практически все ионы Ti³+ на поверхности. То есть, потратив энергию на синтез BHC-TiO2 один раз, можно использовать их в семи фотокаталитических органических реакциях, и при этом каталитическая активность «нанореакторов» не будет снижаться.
