Физики создали усовершенствованные наночастицы диоксида титана — для экологии и медицины

Российские ученые синтезировали новые наночастицы диоксида титана (TiO₂), допированные иттрием (Y), которые отличаются повышенной фотокаталитической активностью. Такие материалы могут найти применение в экологии, биомедицине и фотоэлектронике. Работа опубликована в журнале Inorganic Materials: Applied Research.

Диоксид титана — одно из самых изученных и востребованных неорганических соединений. Он используется для очистки воды и воздуха, входит в состав антимикробных покрытий и играет важную роль в создании солнечных батарей. Всё благодаря его способности под действием света расщеплять органические соединения. Однако у чистого TiO₂ есть ограничения: он эффективно работает только в ультрафиолетовом диапазоне, а возбужденные электроны и «дырки» быстро рекомбинируют, снижая эффективность процесса.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из Юго-Западного государственного университета, МГУ и МФТИ решили изменить структуру вещества — ввести в него небольшое количество иттрия и оптимизировать условия синтеза.

«Мы стремились повысить фотокаталитическую активность TiO₂ за счет допирования иттрием и тщательной настройки условий синтеза и постобработки. Задача состояла в том, чтобы получить наночастицы с контролируемым размером и улучшенными оптическими свойствами при минимуме органических примесей», — рассказал Александр Сюй, главный научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Наночастицы были получены методом гидротермального синтеза, с последующей промывкой и обжигом, который позволил удалить остатки прекурсоров и сформировать фазу анатаза — наиболее активную модификацию TiO₂. Полученные образцы исследовали с помощью электронной микроскопии, дифракционных и спектроскопических методов.
Оказалось, что с увеличением содержания иттрия размер частиц уменьшается, а скорость рекомбинации зарядов снижается. При этом ширина запрещенной зоны немного растет. Ученые установили оптимальный диапазон концентрации иттрия — от 2 до 5,5 ат.%. В этом случае ионы Y³⁺ выступают как ловушки для зарядов, повышая эффективность фотокатализа.

Максимальная фотокаталитическая активность достигалась при коэффициенте скорости деградации k ≈ 35 × 10³ мин⁻¹ — это более чем в полтора раза выше, чем у чистого TiO₂. Таким образом, исследователям удалось создать воспроизводимую технологию синтеза чистых наночастиц с контролируемым размером (10–25 нм) и стабильной кристаллической структурой.
Результаты работы количественно связывают состав, структуру и фотокаталитические свойства наночастиц. Это открывает возможности для целенаправленного проектирования фотокатализаторов с заранее заданными характеристиками — от экологических фильтров и антимикробных покрытий до элементов солнечных батарей и сенсоров.

«Следующий шаг — расширить спектральную активность частиц в видимую область за счет комбинированного допирования, например иттрием и азотом или серой. Мы планируем интегрировать такие наночастицы в гибридные структуры с графеном или максенами, чтобы повысить разделение зарядов и эффективность работы под солнечным светом. А в перспективе — протестировать их в реальных условиях, например, в проточных системах очистки сточных вод», — добавил Александр Сюй.

Исследование выполнено коллективом ученых Регионального центра нанотехнологий Юго-Западного государственного университета (Курск), МГУ им. М. В. Ломоносова и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Источник: Физики усовершенствовали наночастицы диоксида титана — для экологии и биомедицины — За науку