Російські хіміки спільно з італійським колегою запропонували новий спосіб отримання вісмутату барію — перспективного матеріалу для переробки органічних відходів і отримання водневого палива з води. Новий метод допоміг збільшити хімічну активність сполуки, завдяки чому воно більш ефективно розкладає органічні забруднювачі. Результати дослідження, підтриманого грантом російського наукового фонду (рнф), опубліковані в журналі photochemical and photobiological sciences.
Утилізація відходів-одна з найбільш гострих екологічних проблем, з якими зіткнулося людство. Органічні відходи, такі як скиди хімічних заводів і пестициди, несуть небезпеку для екосистем і здоров’я людини, тому вчені шукають ефективні методи їх переробки в більш безпечні сполуки. Перспективні фотокаталітичні матеріали, які при опроміненні сонячним світлом розщеплюють органічні забруднювачі до простих молекул, наприклад вуглекислого газу і води. Найчастіше в цій ролі використовується недорогий і стабільний оксид титану, але він ефективний тільки при опроміненні ультрафіолетом, що ставить під сумнів його промислове застосування, оскільки без спеціальних ламп не обійтися. Нещодавно хімікіпропонували нові фотокаталітичні матеріали на основі вісмуту, які активуються сонячним світлом.
Вісмутат барію (babio3) ефективно розкладає органічні забруднювачі, розщеплює воду і вуглекислий газ, тому його можна використовувати для утилізації відходів, зниження рівня со2 в атмосфері і навіть для виготовлення водневого палива. Але загальноприйнятий метод синтезу вісмутату з вуглецевмісних сполук не дозволяє отримати чистий матеріал – він завжди виявляється забруднений карбонатом, що знижує хімічну активність фотокаталізатора і ускладнює вивчення його структури і властивостей.
Наукова група іздальневосточного федерального університету( владивосток), санкт-петербурзького державного університету (санкт-петербург), далекосхідного державного університету шляхів сполучення (хабаровськ), інституту фізики імені л. В. Киренського( красноярськ), сибірського федерального університету (красноярськ) з колегами з університету павії (італія) синтезувала вісмутат барію новим методом — з оксиду і нітрату барію, що допомогло уникнути домішок карбонату в матеріалі. Для цього суміш оксиду і нітрату барію ретельно подрібнювали і спекали при високих температурах. Потім з отриманого порошку сформували тонкі плівки на кварцовій підкладці. Після цього дослідники визначили хімічний склад і зонну структуру зразків-розподіл енергетичних зон електронів за дозволеними і забороненими рівнями.зонна структура визначає фотокаталітичні властивості напівпровідникових матеріалів, до яких відноситься і вісмутат барію, однак для цієї сполуки раніше не було її однозначного розуміння.
Результати аналізу показали, що вісмут в складі частинок матеріалу присутній в різних ступенях окислення: існують іони bi3+, які втратили три електрона, і bi5+, у яких бракує п’ять електронів. Наявність двох варіантів вісмуту та супероксид-радикалів у матеріалі забезпечила фотокаталітичні властивості зразків.
Щоб оцінити фотокаталітичну активність вісмутату барію, хіміки додали його в водний розчин фенолу і простежили, наскільки швидко органічні молекули розпадуться. Фенол широко застосовується в хімічній промисловості, нафтопереробці, медицині і навіть косметології, але при цьому досить токсичний. Виявилося, що реакція його розкладання протікала швидше з вісмутатом барію, ніж в присутність оксиду титану. Щоб з’ясувати механізм процесу, вчені додатково вносили в реакцію різні речовини-поглиначі радикалів, які взаємодіяли або з електронами, що вивільняються з вісмутату на світлі, або з позитивно зарядженими дірками, з яких вони вилітали.
В ході експериментів вдалося показати, що фотокаталітична активність вісмутату барію обумовлена фотодирками і супероксидними-радикалами — активними частинками, що утворюються на поверхні матеріалу зі звичайного кисню за рахунок приєднання електронів. Саме вони атакують розчинений у воді фенол, руйнуючи його.
” результати нашого дослідження допоможуть прогнозувати, в яких інших реакціях може проявлятися фотокаталітична активність вісмутату барію. Це дозволить використовувати його відразу в декількох областях екологічно чистої, так званої “зеленої” економіки, наприклад, для очищення стічних вод від органічних забруднюючих речовин, а також для фотокаталітичного отримання водню з води для потреб водневої енергетики”, — підводить підсумок керівник проекту за грантом рнф дмитро штарьов, кандидат фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник лабораторії плівкових технологій кафедри фізики низькорозмірних структур інституту наукомістких технологій і передових матеріалів, а також заступник директора інституту з наукової роботи далекосхідного федерального університету..
Малюнок 1. Схема кристалічної структури babio3. Джерело: shtarev et al. / photochemical and photobiological sciences, 2021.
Малюнок 2. Схема фотокаталітичних процесів на поверхні babio3 (узгоджено з автором статті, обидві картинки з оригінальної статті).джерело: shtarev et al. / photochemical and photobiological sciences, 2021.
