Созданы многофункциональные умные катализаторы для сбора энергии из окружающей среды

Ученым Дагестанского государственного университета из лаборатории «Smart materials» под руководством Фарида Оруджева совместно с исследовательской группой из Чехии, Китая и СПбГУ удалось получить гибридный материал с уникальным дизайном, который объединил нескольких синергетических свойств в один материал. Результаты опубликованы в журнале Nano Energy, который входит в десятку самых рейтинговых журналов в области наук о материалах.

Нарастающие проблемы с загрязнением окружающей среды, создают острую необходимость в разработке новых материалов и технологий, использующих экологически-чистые, возобновляемые источники энергии для решения прикладных экологических задач. Среди них, «умные» наноматериалы становятся все более популярными для решения экологических и энергетических проблем. Использование их в качестве катализаторов позволяет создавать уникальные адаптивные системы с новыми функциональными свойствами, которые могут регулировать свою активность в зависимости от внешних источников воздействия. Исходя из этой концепции коллектив ученых синтезировал гибридный полимер-неорганический наноматериал. При этом для того чтобы добиться пьезофототронного эффекта, широко используемые в качестве фотокатализатора полупроводниковые наночастицы оксид железа были инкапсулированы в нановолокна полукристаллического пьезополимера поливиниленфторида (ПВДФ). Пьезофототронный эффект представляет собой результат сочетания в одном материале пьезоэлектрической поляризации, полупроводниковых свойств и фотонного возбуждения, позволяющего управлять электрооптическими процессами с помощью пьезопотенциала, индуцируемого механической деформацией. Результаты анализа полученного материала показали, что внедрение наночастиц в матрицу полимера приводит как к самополяризации полимера в электроактивную фазу за счет ион-дипольной поляризации, так и к дополнительной кристаллизации, усиливая пьезоэлектрические свойства.

«Мы уже довольно продолжительное время занимаемся вопросами преобразования световой энергии в полезную химическую с использованием полупроводниковых наноматериалов. Это так называемый процесс фотокатализа. Однако в окружающей среде очень много видов энергии, которые можно использовать, если грамотно подобрать материал с функциональными свойствами. Например, можно использовать процесс преобразования механической энергии движения воды в полезную химическую энергию с помощью пьезо- и сегнетоэлектрических материалов. Этот процесс известен как пьезокатализ. Мы в своей работе решили объединить в одном материале оба этих свойства и создали органо-неорганический композит. Этим самым мы решили несколько проблем, которые ограничивали практическое применение этих процессов.

Во-первых, использовать полимерные мембраны проще, чем наночастицы, во-вторых, мы показали, что включение наночастиц оксида железа в ПВДФ способствовало самоорганизации и упорядочению структуры полимера, повысив его функциональные свойства. И самое важное, что объединение пьезокатализа с фотокатализом позволило засчет использования двух видов естественной энергии (механической от потока вода и световой от облучения уф-видимым светом), добиться более эффективного разложения загрязнителей. Результаты раскрытия механизма разложения дают нам основание полагать, что пьезофототронный эффект можно эффективно применять, например, для создания многофункциональных респираторных фильтров для борьбы с распространением респираторно-вирусных инфекций. В том числе, в этом направлении мы собираемся двигаться дальше.», – рассказывает заведующий лабораторией Smart materials Фарид Оруджев.

Это открывает широкие перспективы по созданию высокоэффективных зеленых природоподобных технологий для новых приложений в таких областях как очистка воды и воздуха, получение водорода, создание пьезоэлектрических наногенераторов, механочувствительных сенсоров, биомедицинских скаффолдов и другие применения.