Химия и науки о материалах
3 мин.

Созданы многофункциональные умные катализаторы для сбора энергии из окружающей среды

Графический абстракт работы

Графический абстракт работы

Farid Orudzhev

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.