Развитие принципов искусственного фотосинтеза в видимой области спектра с использованием массивов плазмонных наночастиц

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00595

НазваниеРазвитие принципов искусственного фотосинтеза в видимой области спектра с использованием массивов плазмонных наночастиц

Руководитель Громов Дмитрий Геннадьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова наночастица, локализованный поверхностный плазмонный резонанс, катализатор, искусственный фотосинтез, конверсия CO2, TiO2

Код ГРНТИ44.37.00; 31.15.29; 29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поисковое исследование в области создания фотокаталитических структур, эффективных в видимой области спектра излучения, с целью развития физико-технологических основ процесса искусственного фотосинтеза. Другими словами, проект направлен на решение актуальной проблемы сокращения выбросов CO2 в атмосферу за счет способа конверсии CO2 в органическое топливо, например, метанол, который основан на использовании источника возобновляемой энергии – солнечного света. Научная значимость проекта состоит в развитии принципов создания гибридной фотокаталитической платформы, работающей в видимой области спектра, ориентированной на различное использование, в частности, для гетерогенной фотокаталитической конверсии CO2 в органическое топливо, но также для очистки воды от органических загрязнений, для получения водорода и кислорода разложением воды, для дожигания выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и др. Массивы наночастиц металлов характеризуются активным взаимодействием с электромагнитным излучением (например, фотонами) за счет возбуждения локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР). На резонансных частотах это взаимодействие света с веществом приводит к появлению эффекта усиления электрических полей на поверхности наночастиц. Эти поля приводят к увеличению энергии электронов, делая их «горячими», которые могут индуцировать фотохимические превращения. В настоящее время нет единого объяснения, каким образом происходит передача энергии от наночастиц плазмонных материалов к молекулам, адсорбированным на поверхности наночастиц. Считается, что реакции могут протекать по одному из двух механизмов: управляемому фононами, состоящему в индуцированном нагреве наноструктуры светом, т.е. посредством светоиндуцированного фононного опосредованного механизма, или управляемому носителями заряда, состоящему в переносе сгенерированных горячих носителей заряда из оптически возбужденных наночастиц к молекулам реагента, адсорбированным на поверхности наночастиц. Имеющиеся у коллектива методы формирования различных массивов наночастиц, тонкопленочных и наноструктурированных материалов вместе с методом газовой хроматографии позволят выявить преобладающий механизм, в соответствие с которым будет выбрана и оптимизирована наиболее эффективная для искусственного фотосинтеза каталитическая система. Хорошо известным фотокатализатором является TiO2 со структурой анатаза. Однако для генерации в нем неравновесных носителей заряда, которые далее участвуют в химических реакциях на поверхности TiO2, требуется его облучение фотонами с энергиями ультрафиолетовой области спектра, которых мало в солнечном свете, достигающем поверхности Земли. В этой связи ожидается, что использование комбинации TiO2 с массивом частиц материала с ЛППР в видимой области обеспечит фотоактивность такой системы при воздействии фотонами видимой области спектра, которые в основном составляют солнечный свет, но которые имеют меньшую энергию. Если ЛППР массива частиц плазмонного материала настроен на определенный диапазон длин волн, поглощение фотонов данной энергии приводит к генерации «горячих» носителей заряда в плазмонных наночастицах. Поскольку при контакте металлической частицы с полупроводником TiO2 возникает барьер Шоттки, встроенное электрическое поле которого обеспечивает направленную инжекцию «горячих» электронов в зону проводимости TiO2, что повышает эффективность химических реакций с участием электронов на поверхности TiO2 через образование радикалов и ионов с реагентами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Громов Д.Г., Дубков С.В., Ерицян Г.С., Савицкий А.И., Быков В.А., Бобров Ю.А. Термическая стабилизация геометрических параметров массива наночастиц серебра, полученного вакуум-термическим испарением на ненагретую подложку Известия вузов. Электроника, Том 24, № 6 (год публикации - 2019)

2. Дубков С.В., Савицкий А.И., Трифонов А.Ю., Ерицян Г.С., Шаман Ю.П., Кицюк Е.П., Тарасов А., Штыка О., Чесельский Р., Громов Д.Г. SERS in red spectrum region through array of Ag–Cu composite nanoparticles formed by vacuum-thermal evaporation Optical Materials: X, v.7, 100055 (год публикации - 2020)
10.1016/j.omx.2020.100055

3. Штыка О., Чесельский Р., Кедзиора А., Манюкевич В., Дубков С.В., Громов Д.Г., Маницкий Т. Photocatalytic reduction of CO2 over Me (Pt, Pd, Ni, Cu)/TiO2 catalysts Topics in Catalysis, v. 63, No 1-2, p.113-120 (год публикации - 2020)
10.1007/s11244-020-01241-y

4. Громов Д.Г., Дубков С.В., Ерицян Г.С., Савицкий А.И., Быков В.А., Бобров Ю.А. Thermal stabilization of the geometric parameters of an array of silver nanoparticles obtained by vacuum-thermal evaporation on an unheated substrate Russian Microelectronics, v.49, No.7 (год публикации - 2020)
10.1134/S1063739720070033

5. Фотокаталитическое восстановление углекислого газа на катализаторах металл/титанат бария Photocatalytic Reduction of CO2 over Metal/BaTiO3 Catalysts Solid State Phenomena, Vol. 312, pp 74-79 (год публикации - 2020)
10.4028/www.scientific.net/SSP.312.74

6. Сорокина Л.И., Лебедев Е.А., Дубков С.В., Савицкий А.И., Манецки Т., Кенджьора А., Громов Д.Г. Development of TiO2- And MWCNT based photocatalysts with Au and Cu clusters by electrophoretic deposition Journal of Physics: Conference Series, 1, 1954 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1954/1/012048

7. Highly efficient photocatalytic performance of sodium-modified TiO2 for reduction of CO2 under visible light irradiation (год публикации - )

8. О.Штыка, В.Шатила, Р.Чещельски, А.Кенджьора, В.Манюкевич, С.Дубков, Д.Громов, А.Тарасов, Я.Роговски, А.Стадниченко, П.Лазаренко, Р.Рязанов, М. Шинкофска-Юзвик, Т.Манецки Adsorption and Photocatalytic Reduction of Carbon Dioxide on TiO2 Catalysts, 11, 1, 47 (год публикации - 2021)
10.3390/catal11010047

Публикации

7. Highly efficient photocatalytic performance of sodium-modified TiO2 for reduction of CO2 under visible light irradiation (год публикации - )

Публикации

7. Highly efficient photocatalytic performance of sodium-modified TiO2 for reduction of CO2 under visible light irradiation (год публикации - )