Российские ученые вместе с итальянским коллегой разработали новый способ получения висмутата бария. Предложенный метод увеличил химическую активность соединения, благодаря чему оно более эффективно разлагает органические загрязнители.
Висмутат бария эффективно разлагает органические загрязнители, расщепляет воду и углекислый газ, поэтому его можно использовать для утилизации отходов, снижения уровня СО2 в атмосфере и даже для изготовления водородного топлива. Но стандартный метод синтеза висмутата из углеродсодержащих соединений не позволяет получить чистый материал — он всегда оказывается загрязнен карбонатом. Это снижает химическую активность фотокатализатора и усложняет изучение его структуры и свойств.
Группа ученых из Дальневосточного федерального университета, Санкт-Петербургского государственного университета, Дальневосточного государственного университета путей сообщения, Института физики имени Л. В. Киренского, Сибирского федерального университетас коллегами из Университета Павии синтезировала висмутат бария новым способом — из оксида и нитрата бария, благодаря чему в материале нет примесей карбоната.
Смесь оксида и нитрата бария тщательно измельчили и спекли при высоких температурах. Затем из полученного порошка сформировали тонкие пленки на кварцевой подложке. После этого исследователи определили их химический состав и зонную структуру, от которой зависят фотокаталитические свойства полупроводниковых материалов.
Результаты анализа показали, что висмут в составе частиц материала присутствует в разных степенях окисления: существуют ионы Bi3+, которые потеряли три электрона, и Bi5+, у которых недостает пяти электронов. Присутствие двух вариантов висмута и супероксид-радикалов в материале обеспечило фотокаталитические свойства образцов.
Чтобы выяснить механизм процесса, ученые дополнительно вносили в реакцию различные вещества-поглотители радикалов, которые взаимодействовали либо с электронами, высвобождающимися из висмутата на свету, либо с положительно заряженными дырками, из которых они вылетали. В ходе экспериментов удалось показать, что фотокаталитическая активность висмутата бария обусловлена фотодырками и супероксидными-радикалами — активными частицами, образующимися на поверхности материала из обычного кислорода за счет присоединения электронов. Именно они атакуют растворенный в воде фенол, разрушая его.
«Результаты нашего исследования помогут прогнозировать, в каких других реакциях может проявляться фотокаталитическая активность висмутата бария. Это позволит использовать его сразу в нескольких областях экологически чистой, так называемой "зеленой" экономики, например, для очистки сточных вод от органических загрязняющих веществ, а также для фотокаталитического получения водорода из воды для нужд водородной энергетики», — подвел итог руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории пленочных технологий кафедры физики низкоразмерных структур института наукоемких технологий и передовых материалов, а также заместитель директора института по научной работе Дальневосточного федерального университета Дмитрий Штарев.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Photochemical and Photobiological Sciences.