Группа российских ученых из Негосударственного международного университета Сколтех, Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) синтезировала новый катализатор для фотокатализа углекислого газа. Проведенные исследования показали, что композитный катализатор на основе диоксида титана и высокоэнтропийного карбида, полученного в Томском политехническом университете методом безвакуумного электродугового синтеза, позволяет в 7 раз ускорить выход метана по сравнению с традиционно используемым оксидом титана. В перспективе новый фотокатализатор может применяться для утилизации углекислого газа и производства экологичного топлива. Результаты опубликованы в журнале Materials Today Energy. Ими также делится пресс-служба Сколтеха.

Разработка эффективных технологий утилизации углекислого газа и переработки его в полезные продукты является одной из важнейших задач, стоящих перед учеными всего мира. Одно из наиболее перспективных направлений — фотокатализ, позволяющий проводить реакции в условиях окружающей среды. Традиционно для этого используют фотокатализаторы на основе диоксида титана и дорогих, благородных металлов — золота, платины, палладия. При этом несколько видов материалов — бориды, карбиды, переходные металлы, а также высокоэнтропийные материалы на их основе — демонстрируют перспективность для использования в качестве катализаторов.

В проведенных исследованиях впечатляющий потенциал для применения в катализе и переработке CO₂ посредством фотокаталитической реакции показали высокоэнтропийные карбиды. Это новый класс материалов, в состав которых входят одновременно четыре-пять и более различных металлов и углерод. Их главная особенность заключается в способности выдерживать высокие температуры и плотности потоков энергии. Комбинируя в составе разные элементы, можно добиться необходимого сочетания свойств (каталитическая активность и селективность, температура плавления, температура окисления, удельный вес и другие).

«В нашем исследовании были созданы и изучены композитные фотокализаторы из диоксида титана и высокоэнтропийного карбида, полученного на основе порошков титана, циркония, ниобия, гафния, тантала и углерода, синтезированного безвакуумным электродуговым методом. Свойства высокоэнтропийных карбидов еще мало изучены, и в данной работе наши коллеги нашли для них потенциальное применение в области фотокатализа», — говорит один из авторов статьи, заведующий лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики Александр Пак.

Безвакуумный электродуговой метод синтеза — это оригинальный подход к получению материалов, который развивают ученые Томского политеха. Он позволяет синтезировать материалы с помощью дугового разряда постоянного тока на открытом воздухе, без использования специального вакуумного и газового оборудования. Ранее политехникам впервые удалось получить высокоэнтропийный карбид в атмосферной плазме.

Уточняется, что объяснение того, почему высокоэнтропийный карбид работает в составе композитного фотокатализатора, было получено в ходе исследования электронных и адсорбционных свойств высокоэнтропийного карбида методами цифрового моделирования. Так, было проведено моделирование адсорбции газов (прекурсоров и продуктов реакции) на высокоэнтропийном карбиде и определено, что атомы металлов в составе карбидов теряют идентичность электронной структуры, что приводит к большему количеству активных центров адсорбции на поверхности частиц высокоэнтропийного карбида.

«Мы провели большое количество вычислений, чтобы понять, как влияет локальная структура активного центра высокоэнтропийного карбида на адсорбционные и каталитические свойства, прежде чем начинать экспериментальные исследования. Полученный нами объем данных позволил сделать выводы о перспективности применения данного материала в фотокаталитических реакциях, а также будет использован нами далее для разработки новых предсказательных моделей на основе машинного обучения», — рассказал руководитель исследования, профессор Центра технологий материалов Сколтеха Александр Квашнин.

Композитные фотокатализаторы восстановления СО₂ были получены путем испарения суспензии, содержащей предварительно синтезированный высокоэнтропийный карбид, диоксид титана и ацетон. С помощью различных аналитических методов были исследованы структурные, химические, оптические свойства фотокатализаторов, фазовый и элементный состав, микроструктурные особенности.

Также в реакции восстановления CO₂ под воздействием видимого света была протестирована фотокаталитическая активность полученных композитных катализаторов. Эксперименты показали, что новые катализаторы позволяют значительно увеличить выход метана по сравнению с катализаторами из немодифицированного диоксида титана. Были проведены детальные и долговременные эксперименты по изучению фотокатализаторов и найдены причины дезактивации.

«Исследование показало, что максимальная скорость получения метана в реакции фотокаталитического восстановления СО₂ под действием видимого света достигается при содержании в составе композитного катализатора 10 мас.% высокоэнтропийного карбида, синтезированного безвакуумным электродуговым методом. Данная величина в 7 раз выше, чем при использовании немодифицированного диоксида титана. Исследования подтвердили повышение поглощающей способности и образование гетеропереходов между TiO₂ и карбидом, что улучшает разделение зарядов и продлевает время их жизни. Таким образом, вероятно, что в фотокатализе можно успешно использовать и другие карбиды», — добавляет автор статьи, ведущий научный сотрудник ФИЦ Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН Екатерина Козлова.