Висмутаты щелочноземельных металлов как новый перспективный класс материалов для экологически чистой энергетики

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 17-73-00007

НазваниеВисмутаты щелочноземельных металлов как новый перспективный класс материалов для экологически чистой энергетики

Руководитель Штарев Дмитрий Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина Дальневосточного отделения Российской академии наук , Хабаровский край

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова Фотокатализ, Фотокатализаторы видимого света, Висмутаты щелочноземельных металлов, Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии, Фотокаталитическое разложение воды

Код ГРНТИ61.31.55

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фотокатализаторы могут найти применение в различных областях, среди которых расщепление воды для производства водорода, очистка воды и воздуха от органических загрязняющих соединений, преобразование углекислого газа и оксида азота и т.д. Области применения конкретного фотокатализатора определяются двумя основными факторами: шириной его запрещенной зоны и энергиями потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. Первый фактор (ширина запрещенной зоны фотокатализатора) определяет минимальную энергию, необходимую для активации фотокатализатора. Естественно, что наибольший интерес вызывают фотокатализаторы, которые могут быть активированы фотонами с относительно небольшой энергией, то есть видимым светом – так называемые фотокатализаторы видимого света. Для фотокаталитического расщепления воды необходимо, чтобы протекали две фотокаталитические полуреакции: окислительная (взаимодействие молекулы воды с фотодырками с образованием кислорода и ионов водорода) и восстановительная (присоединение фотоэлектронов к ионов водорода с образованием молекулярного водорода). При этом существуют пороговые значения энергии фотоэлектронов (0,0 эВ) и фотодырок (-1,23 эВ) для протекания соответствующих полуреакций. Зачастую уменьшение ширины запрещенной зоны сопровождается снижением энергии дна зоны проводимости. Увеличение ширины запрещенной зоны приводит к тому, что активировать такой фотокатализатор становится возможным только УФ-излучением. Таким образом, на сегодняшний день можно синтезировать: или высокоэффективные фотокатализаторы, инициирующие реакции расщепления воды, активируемые только УФ-излучением; или фотокатализаторы, активируемые видимым светом, но не способные инициировать реакции фотокаталитического расщепления воды. Это является фундаментальным ограничением применения фотокатализаторов видимого света для фотокаталитического расщепления воды. По мнению ряда экспертов (например, проф. Masahiro Miyachi) нарушить эту зависимость – то есть объединить малую ширину запрещенной зоны с высокой энергией потолка валентной зоны и дна зоны проводимости - могут фотокатализаторы, состоящие из двойных оксидов щелочноземельных металлов и f-элементов. К таким соединениям относятся, в том числе и висмутаты щелочноземельных металлов. Известно, что висмутаты щелочноземельных металлов (прежде всего кальция и стронция) являются эффективными фотокатализаторами видимого света, продемонстрировавшими высокую эффективность разложения различных органических соединений: красителей, фенола, нефтепродуктов. Однако потенциалы дна зоны проводимости (и потолка валентной зоны) всех исследованных висмутатов кальция и стронция (CaBi6O10, CaBi2O4, Ca4Bi6O13, Ca6Bi6O15, SrBi2O4 и Sr2Bi2O5) недостаточно для применения этого фотокатализатора для фотокаталитического расщепления воды. Следует отметить, что в качестве фотокатализаторов проанализированы лишь немногие из известных висмутатов щелочноземельных металлов. Поэтому представляется актуальным проанализировать, как положение валентной зоны и зоны проводимости висмутатов щелочноземельных металлов зависит от их состава. Это позволит определить наиболее перспективные висмутаты щелочноземельных металлов с точки зрения их применения для фотокаталитического расщепления воды. Отличительная особенность предлагаемого исследования заключается в том, что впервые будут осуществлены работы по оценке физических свойств (ширина запрещенной зоны, форма и положение края фундаментального поглощения, энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости) значительного количества висмутатов различных щелочноземельных металлов (Mg, Ca, Sr, Ba). Такой системный подход поможет создать атлас всех известных висмутатов щелочноземельных металлов; лучше понять механизмы каталитической активности данного класса фотокатализаторов; определить подкласс висмутатов щелочноземельных металлов, перспективных с точки зрения их применения для расщепления воды; создать базу для конструирования новых гетерогенных фотокаталиических систем на основе исследованных висмутатов щелочноземельных металлов. Кроме важных фундаментальных вопросов, отмеченных выше, будут получены данные, важные для практического использования данных материалов. Так, новые знания о том, как состав висмутата щелочноземельного металла влияет на ширину запрещенной зоны и энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости позволят получать материалы для практического применения в установках по расщеплению воды с наивысшей каталитической активностью. Научная новизна исследования заключается в том, что впервые свойства подобных фотокаталитических систем будут изучены системно, будет оценено влияние состава на ширину запрещенной зоны и энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. В современной открытой научной литературе отсутствуют такие комплексные исследования подобных фотокаталитических систем. Поэтому, предлагаемый подход к решению проблемы является новым и оригинальным. При этом предлагаемые методы исследований являются актуальными и соответствуют мировому уровню развития научной мысли в данной области знаний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ