Физики усовершенствовали наночастицы диоксида титана, полезные для экологии и биомедицины

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.

ФизТех

662 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram