– Большинство каталитических процессов сегодня реализуются в промышленности при повышенных температуре и давлении. Для обеспечения высокой активности и селективности катализаторов используются дорогостоящие компоненты – золото, платина, палладий, – говорит автор проекта, научный сотрудник лаборатории каталитических исследований ХФ ТГУ Григорий Мамонтов. – Одними из ключевых вызовов, стоящих перед химиками, являются снижение содержания или полный отказ от дорогостоящих благородных металлов в катализаторах и дальнейшее смягчение условий протекания каталитических процессов. В идеале катализатор должен работать при атмосферном давлении и комнатной температуре, при этом его селективность желательно довести до 100 процентов, как это реализуется в живых организмах (ферментативный катализ).
Фотокатализаторы для селективного химического превращения – новое направление в мировой химии. В рамках проекта № МК-460.2021.1.3 «Создание композитов на основе плазмонных наночастиц серебра и производных графена для селективных фотокаталитических процессов» учёный ХФ ТГУ Григорий Мамонтов осуществляет разработку принципов создания таких материалов.
Особая роль в проекте отводится производным графена, обладающим уникальными свойствами. После того, как в 2010 году за исследования с этим двухмерным материалом была присуждена Нобелевская премия, популярность графена начала стремительно расти. Исследователи передовых научных центров ищут применение графену и его производным в различных областях, в том числе в фотокатализе.
– На первом этапе проекта химическими методами будет синтезирован оксид графена, а также восстановленный оксид графена, – поясняет Григорий Мамонтов. – Метод является достаточно трудоёмким, тем не менее, предполагается его получать химически, а не приобретать оксид графена, полученный физическими методами.
На следующем этапе будут изготовлены образцы катализаторов на основе оксида графена, содержащие наночастицы серебра и оксид церия. Комбинирование в одном материале плазмонных наночастиц серебра, поглощающих видимый свет, оксида церия, являющегося полупроводником, и проводящей подложки на основе восстановленного оксида графена должно способствовать протеканию селективного фотокаталитического процесса.
Каталитические (в темноте) и фотокаталитические (при дополнительном облучении лампой, имитирующей солнечный свет) свойства катализаторов протестируют в реакции восстановления нитрофенола в аминофенол. Эта реакция является модельной, однако в перспективе учёные планируют расширить спектр химических реакций, которые могли быть проведены с таким типом катализаторов.
– На данном этапе исследования носят фундаментальный характер и направлены, в первую очередь, на выявление особенностей получения новых функциональных материалов на основе плазмонных наночастиц и производных графена, – резюмирует автор проекта Григорий Мамонтов. – Наряду с этим цель проекта заключается в изучении природы активных центров катализаторов и механизмов каталитических превращений, включая фотокаталитические. Именно фотокаталитические селективные процессы могут стать основой для разработки новых подходов в энергосберегающей и экологически безопасной энергетике, переработке углеводородного сырья в ценные органические соединения, необходимые для химической, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности.
Фото пресс-службы ТГУ.
Иллюстрация учёного ХФ ТГУ Григория Мамонтова
На рис.: Наночастицы серебра (Ag) и оксида церия (СеО2) на поверхности восстановленного оксида графена (rGO), на котором под действием света видимого диапазона (Vis) протекает реакция восстановления нитрофенола в аминофенол.