Физики из группы наноструктурированных материалов Исследовательского института нанотехнологии Национального института развитой науки и технологии (AIST), Япония, используя простой гидротермический метод, успешно синтезировали нанотрубки из WO₃. Нанотрубки состоят из аггрегированных кристаллитов и имеют нанопористую структуру, в том числе с четко выраженными нанометровыми порами на стенках. Такая структура означает, что нанотрубки имеют очень большую площадь поверхности, предполагая высокую фотокаталитическую активность.

Полученные нанотрубки с платиновым катализатором, будучи использованы в процессе декомпозиции ацетальдегида в газовой фазе, демонстрируют фотокаталитическую активность под влиянием видимого излучения, которая в восемь раз превышает таковую для традиционно применяемого оксида титана, легированного азотом. Эта комбинация также в три раза более эффективна, чем традиционный оксид вольфрама с платиновым катализатором.

Поскольку процессы гидротермического синтеза являются весьма производительными и недорогими, то предполагается, что новый фотокатализатор будет коммерчески оправдан при изготовлении безопасных конструкционных материалов для внутренней отделки. Одной из фунций таких материалов может стать разложение опасных летучих органических соединений для очистки помещений, где незначительно влияние ультрафиолетового излучения.

Результаты исследований были опубликованы в статье «Nanoporous-Walled Tungsten Oxide Nanotubes as Highly Active Visible-Light-Driven Photocatalysts» в журнале Angewandte Chemie–International Edition, Volume 120, Issue 37, September 1, 2008, Pages: 7159–7163.

На рисунке 1 приведены микрофотографии WO₃ нанотрубок, синтезированных японскими учеными, снятые с помощью сканирующего электронного микроскопа. Каждая из нанотрубок состоит из скоплений кристаллов, каждый размером порядка 100 нм или менее, и имеет пористую структуру с большим количеством мелких пор размером порядка нескольких десятков нм на стенках трубок.

Рис.1. Изображения нанотрубок из оксида вольфрама

При длине полученных нанотрубок порядка 2–20 мкм, их внешние диаметры находятся в диапазоне 300–1000 нм. Такие нанотрубки могут быть легко и с большим выходом синтезированы при нагревании изначальных материалов и растворителя в запаянном контейнере. В данной работе высокопроизводительный процесс был разработан после того, как ученые сделали открытие, что добавка мочевины к реагентам во время гидротермической реакции способствует образованию нанотрубок.

Процесс декомпозиции ацетальдегида в газовой фазе был применен для тестирования нанотрубок; мелкие частицы платины были добавлены на поверхность нанотрубок, которые играли роль химического катализатора. Облучение видимым светом длиной волны 400 нм или длиннее инициировало существенное уменьшение концентрации ацетальдегида и одновременную генерацию двуокиси углерода (CO₂), как продукта декомпозиции, демонстрируя фотокатализ, вызванный облучением излучением в видимой области спектра.

На рисунке 2 показан график скорости генерации диоксида углерода в зависимости от интенсивности облучения видимым излучением. Количество вновь образовавшихся нанотрубок WO₃ (2–4) примерно в 8 раз превышает такой же показатель для традиционного процесса образования N-легированного TiO₂ (2–2). При сравнении с коммерческим процессом, в котором используется мелко гранулированный WO₃ с участием платинового химического катализатора, нанотрубки оксида вольфрама (2–3) показали более чем трехкратное увеличение производительности фотокатализа.

Рис.2. Фотокаталитическая активность декомпозиции ацетальдегида при облучении видимым излучением

Было также подтверждено, что нанотрубки оксода вольфрама в процессе декомпозиции способствуют полному разложению ацетальдегида при облучении.

Столь высокая каталитическая активность нанотрубок из оксида вольфрама в основном объясняется их высокопористой структурой, которая создает исключительно большую площадь поверхности, участвующей в реакции. В ближайшее время специалисты AIST планирует провести исследования с целью повышения этой активности путем введения катализатора на обе стенки нанотрубки – и внешнюю и внутреннюю. Следующим шагом будет производство тонких пленок содержащих вольфрамовые нанотрубки для возможных применений в качестве покрытий.

AIST Japan

Евгений Биргер