Физики усовершенствовали наночастицы диоксида титана, полезные для экологии и биомедицины
Российские ученые синтезировали высокоактивные наночастицы диоксида титана (TiO₂), допированные иттрием. Частицы обладают повышенной фотокаталитической активностью, что перспективно в биомедицине, экологии и фотоэлектрике.
Диоксид титана — неорганическое соединение, которое широко используется в современной науке и промышленности. Оно известно способностью расщеплять органические загрязнения под действием света, что делает его незаменимым, например, для очистки воды и воздуха. Кроме того, вещество нетоксично и его фотокаталитические свойства могут найти применение в биомедицине: для антимикробных покрытий или фотодинамической терапии. Также диоксид титана играет ключевую роль в разработке солнечных батарей благодаря способности поглощать ультрафиолетовое излучение. Однако применение диоксида титана в чистом виде имеет ограничения. Широкая запрещенная зона не позволяет использовать его за пределами ультрафиолетовой области спектра, а быстрое воссоединение возбужденных электронов и положительных зарядов (дырок) снижает его фотоэффективность.
«Мы стремились повысить фотокаталитическую активность TiO₂ за счет допирования иттрием (Y) и оптимизации условий синтеза и постобработки. Наша группа хотела получить наночастицы с минимальным содержанием органических примесей, контролируемым размером и улучшенными оптическими свойствами», — рассказал Александр Сюй, главный научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института (МФТИ).
Ученые из Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ), Московского государственного университета (МГУ) и Московского физико-технического института (МФТИ) провели комплексное исследование влияния параметров синтеза и концентрации допанта — иттрия — на структуру, фотолюминесцентные свойства и фотокаталитическую активность наночастиц диоксида титана. Особенность этой работы заключалась в комплексной оптимизации постобработки образцов. Исследование опубликовано в журнале Inorganic Materials: Applied Research.
«Мы систематически сопоставляли режим постобработки и морфологию, фазовый состав, оптические свойства и фотокаталитическую активность полученных частиц. Это позволило нам получить воспроизводимые и высокоактивные образцы с контролируемыми характеристиками», — объяснил Александр Сюй.
Физики синтезировали наночастицы методом гидротермального синтеза с последующей промывкой для очищения от прекурсоров. Последовавший обжиг образца позволил уменьшить количество углерода и сформировать фазу анатаза. Затем полученный материал подробно изучался с помощью оптической спектроскопии, электронной микроскопии и дифракционных методов.
Размер частиц уменьшался с ростом концентрации иттрия, что приводило к снижению скорости рекомбинации и незначительному увеличению ширины запрещенной зоны. Ученые определили оптимальный диапазон концентрации допанта ~2–5,5 ат.%, за пределами которого фотоактивность наночастиц низкая. Это объясняется тем, что ионы иттрия Y³⁺ работают как ловушки для зарядов и препятствуют излучению, возникающему вследствие воссоединения электрона с дыркой.
Максимальная фотокаталитическая активность происходила с коэффициентом скорости деградации k ≈ 35 × 10³ мин⁻¹. Это значение более чем в полтора раза превышает величину чистого вещества. Ученые разработали воспроизводимую технологию чистых наночастиц с контролируемым размером 10–25 нанометров и фазой анатаза. Это ценно для практического применения этих частиц. Результаты работы количественно связывают состав, структуру и свойства наночастиц, что позволяет создавать фотокатализаторы с известными и заданными характеристиками.
Помимо экологических и медицинских областей, эти частицы перспективны для разработки самоочищающихся покрытий для строительных материалов, солнечных батарей и сенсоров, требующих контролируемых оптических и электронных свойств.
«Мы планируем расширить спектральную активность частиц в видимую область за счет комбинированного допирования, например Y + азот или сера. Хотим интегрировать наночастицы в гибридные структуры, например с максенами или графеном. Это позволит повысить разделение зарядов и улучшит их работу под солнечным светом. Также естественный следующий шаг — переход от ультрафиолетового к видимо-световому фотокатализу для повышения практической ценности вещества. Еще планируется масштабирование синтеза и тестирование в реальных условиях, например в проточных реакторах для очистки сточных вод», — поделился Александр Сюй.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Считается, что современная музыка стала простой и даже примитивной. Ученые из Италии математически проверили эту гипотезу и подтвердили, что даже самые сложные жанры со временем стали дрейфовать к простоте и повторам одних и тех же составляющих.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно