Фотокатализаторы на основе диоксида титана: получение и применение

Актуальность работы

В наше время человечество активно ищет разные способы очистки воздуха, воды, различных поверхностей от пыли, грязи и других органических веществ. Для решения проблемы загрязнения воды и воздуха актуальным и эффективным является использование фотокатализаторов. Помимо промышленного использования фотокатализаторы могут применяться в медицине. Во-первых, в качестве покрытия стен и мебели, благодаря которому сокращается время стерилизации помещения, тем самым помещение будет более стерильным, а мебель дольше прослужит. Во-вторых, может использоваться в стоматологии в качестве средства для очистки зубной эмали от налёта, кариеса и бактерий.

И, в-третьих, фотокатализатор может использоваться для лечения онкологических заболеваний в клетках из-за своей особенности разрушать структуру высокомолекулярных соединений и нетоксичности. В связи с этим диоксид титана и его модификации прекрасно подходят для удовлетворения этих нужд человечества.

Цель

Получение фотокатализаторов на основе диоксида титана, работающих в разных диапазонах света, и их исследование.

Описание

В результате проделанной работы были получены три различные модификации диоксида титана: ɳ-TiO₂, пероксофаза диоксида титана и модификация диоксида титана оксидом висмута (III).

Следующим этапом нашей работы было проведение эксперимента по изучению фотокаталитической активности (ФКА) модификаций диоксида титана. Объектом фотокатализа являлся раствор красителя метилового оранжевого концентрацией 0,05 ммоль/л. Концентрация фотокатализатора во всех случаях составляла 32 мг/л. Кинетику фотокатализа определяли с помощью измерения оптической плотности раствора на ФЭК, отбор проб производился с определённым интервалом времени. В результате удалось определить константы скорости разложения метилового оранжевого в присутствии ɳ-TiO₂ и пероксофазы TiO₂ при облучении УФ-и видимым светом, соответственно.

Результат

Были получены три модификации диоксида титана, модификация с оксидом висмута (III) не проявила ФКА, модификация ɳ-TiO₂ работает только в УФ-спектре, а пероксофаза TiO₂ и в УФ-, и в видимом спектре.

Для систем ɳ-TiO₂ – УФ свет и пероксофаза-TiO₂ – видимый свет была исследована кинетика разложения метилового оранжевого, определены константы скорости реакции разложения под действием фотокатализатора. Для ɳ-TiO₂ – 0,004 с^-1, для пероксофазы – 0,008 с^-1. Также были рассчитаны времена полураспада и распада на 99 %.

Пероксофаза, по данным исследования, является наиболее перспективной ввиду простоты получения, работоспособности в видимом спектре света и лучшей фотокаталитической активности.

Стоит отметить, что массы навесок фотокатализаторов составляли всего 32 мг/л, что является крайне малым количеством для такой эффективности. Сам фотокатализатор после реакции можно регенерировать, так как он используется в виде суспензии, ФКА после регенерации нами не исследовалась.

Оснащение и оборудование

• Электрическая плита с магнитной мешалкой
• Вакуумный насос
• Термометр
• Колба Бунзена
• Воронка Бюхнера
• Аналитические весы
• Ультрафиолетовая лампа, 25 Вт
• Лампа накаливания, 60 Вт
• Фотоэлектроколориметр Юнико 2100 (ФЭК)
• Химические стаканы
• Мерные цилиндры
• Конические колбы
• Круглодонные колбы
• Пробирки
• Стеклянные палочки
• Пипетки 10 мл
• Стеклянные бюксы
• Фильтровальная бумага
• Оксид-сульфат титана
• Серная кислота
• Сульфат цезия
• Перекись водорода, 55 %
• Нитрат висмута
• Метиловый оранжевый
• Ацетон
• Изопропиловый спирт
• Дистиллированная вода

Перспективы использования результатов работы

Использование фотокатализаторов для очистки сточных вод и загрязнённого воздуха с предприятий, выбрасывающих в окружающую среду отходы органического происхождения; в медицине для стерилизации помещения, для очистки зубной эмали от налёта, кариеса и бактерий, для лечения онкологических заболеваний в клетках, из-за своей особенности разрушать структуру крупномолекулярных соединений. В дальнейшем можно более точно, детально развить применение фотокатализаторов в одном из медицинских направлений.

Награды/достижения

Школьная секция IV научно-технической конференции студентов и аспирантов РТУ МИРЭА – победитель.

Сотрудничество с вузом при создании работы

Работа выполнялась в МИРЭА − Российский технологический университет на базе кафедры неорганической химии им. А.Н. Реформатского.

Особое мнение

«Работу можно дальше продолжить, особенно интересно развить тему применения фотокатализаторов в медицине.

Было интересно участвовать в такой конференции. Увидели другие работы. Было приятно находиться в кругу единомышленников»