Фотокаталитична активност на тънки слоеве със селективно фотофиксирани кокатализатори

Име на проекта: КП-06-Н59/11 Фотокаталитична активност на тънки слоеве със селективно фотофиксирани кокатализатори

Продължителност: 22.11.2021 - 22.03.2025

Финансирано от:

Фонд „Научни изследвания” към Министерство на образованието и науката

Анотация:

Фотокаталитичните тънки слоеве намират приложение в редица приоритетни технологии: например обезвреждане на органични замърсители във вода или въздух (чрез фотоокисление и фоторедукция – до H₂O и CO2) и самопочистващи се повърхности; във фотоелектрохимични клетки за разделяне на вода до „зелен“ водород (solar-to-hydrogen) или фоторедукция на СО₂ до полезни продукти. Те най-често се базират на широкозонни полупроводници (напр. TiO₂, ZnO и др.), които при поглъщане на светлинна енергия генерират възбудени състояния (екситони), състоящи се от мобилни фотовъзбудени електрони и положително-заредени „дупки“. На повърхността на фотокатализатора тези фотогенерирани заряди могат да участват в окислително-редукционни процеси с адсорбирани молекули, което води до тяхната химична трансформация и е основният механизъм на хетерогенният фотокатализ.

Основен проблем във фотокатализа е ниският квантов добив (съотношението абсорбирани фотони на единица площ към успешни химични трансформации на повърхността), който от своя страна се дължи основно на рекомбинация на фотогенерираните заряди и загуба на по-голямата част (>99%) от погълнатата светлинна енергия под формата на топлина. Възможно решение на този проблем е функционализирането на фотокаталитичната повърхност с кокатализатори – материали (най-често благородни метали или оксиди на преходни метали), които на база на формиране на хетеропреходи акумулират само един от двата типа фотогенерирани заряди, ефективно разделяйки екситона, ограничавайки възможностите за рекомбинация и същевременно промотирайки само реакции на окисление или редукция.

Цел на проекта:

Основна цел на проекта е изследване на методи за директно фотофиксиране на функционални слоеве от благородни метали (напр. Ag, Pt, Pd) и метални оксиди (напр. MnO_x, CoO_x и NiO_x) върху повърхността на фотокаталитични тънки слоеве от TiO₂ и ZnO и тяхната приложимост като кокатализатори промотиращи реакции на фотоокисление и фоторедукция. Чрез систематични и сравнителни експерименти се цели установяване на връзката: условия на отлагане – структура и химичен състав на кокатализатора – фотоелектрохимично поведение и квантова ефективност – фотокаталитична активност. Ще бъдат изследвани и възможностите на метода на фотофиксиране на функционални слоеве за селективно отлагане на пространствени кокаталитични изображения от различни по тип кокатализатори върху една и съща повърхност чрез фотолитография, с цел формиране на зони с диференциална активност при фотохимични окислително-редукционни процеси.

Натрупаните по време на изпълнение на проекта знания и резултати могат да бъдат приложени в съзнателното проектиране на  фотокаталитични повърхности за отстраняване на замърсители; с приложение като високоефективни фотоаноди и фотокатоди във фотоелектрохимични системи; както и за разработката на фотоелектрохимични устройства с висока степен на интеграция за разработка на сензори или преобразуване на възобновяема светлинна енергия.

Екип от ТУ-София:

Екип от ТУ-София (Базова Организация):

• Гл. ас. д-р Божидар Стефанов
• Доц. д-р инж. Боряна Цанева
• д-р инж. Васил Костов
• инж. Павел Венев (ИМех БАН)
• Проф. д-р Ларс Остерлунд (Упсала Университет – Швеция)

Партньори:

Екип от СУ „Св. Климент Охридски“ (Партньорска Организация):

• Доц. д-р Нина Кънева
• Ас. д-р Ася Божинова
• Гл. ас. д-р Силвия Симеонова
• Добрина Иванова (студент)

Екип от Институт по катализ – БАН (Партньорска Организация):

• Доц. д-р Христо Колев
• Гл. ас. д-р Ралица Младенова
• Божидар Граховски (докторант)

Координатор на проекта: гл. ас. д-р Божидар Стефанов

Координатор на проекта за ТУ - София: гл. ас. д-р Божидар Стефанов