Учёный химического факультета ТГУ Григорий Мамонтов при поддержке гранта президента РФ работает над созданием нового класса катализаторов, которые будут действовать по принципу фотосинтеза, то есть позволят синтезировать полезные химические соединения под действием видимого света. Использование фотокатализаторов выгодно экономически, поскольку не требует высоких температур и давления. Главным условием действия таких материалов является наличие естественного света или его имитации.
– 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.
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
