Синтез нанопорошков и упорядоченных наноструктур на основе диоксида титана из гидротермальных и сверхкритических растворов для фотоэлектрохимического разложения водыНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Синтез нанопорошков и упорядоченных наноструктур на основе диоксида титана из гидротермальных и сверхкритических растворов для фотоэлектрохимического разложения воды
Результаты этапа: - Разработана методика получения пленки нанокристаллического анатаза гидротермальной обработкой аморфного диоксида титана, выращенного на поверхности титановой фольги методом анодного окисления. Установлено, что электроды, изготовленные из этого материала, обладают высокими характеристиками в процессе фотоэлектрохимического разложения воды. - Установлено, что исходный анодированный диоксид титана показывает практически полное отсутствие фотоактивности. - В случае полученных пленок нанокристаллического анатаза значения фототока лимитированы рекомбинацией носителей заряда, которая происходит из-за медленного процесса окисления молекул воды фотогенерированными дырками. Установлено, что значение фототока достигает 7.2 мкА/см2 при приложенном потенциале 1.2 В. -Нанокристаллические пленки анатаза практически не фотоактивны в видимой области (длины волн более 380нм). Значение квантовой эффективности растет при уменьшении длины волны и в области 300нм выходит на плато. Максимум эффективности достигается при 250 нм и составляет 3.2 % при 0 В и 6.5 % при потенциале 1.2 В. - Методом сверхкритической сушки геля в растворителях, различающихся посвоей природе, таких как: СК-CO2, ацетон, н-гексан, н-гептан, н-октан синтезированы аэрогели на основе оксидов ванадия. Впервые установлено, что важнейшую роль в свойствах продуктов СКС синтеза играет полярность растворителя, а также состав первичного и вторичного растворителей. В ряду: н-гексан – н-гептан – н-октан доля фазы VO2 в аэрогеле уменьшается, а доля фазы V6O13 - возрастает.
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Синтез нанопорошков и упорядоченных наноструктур на основе диоксида титана из гидротермальных и сверхкритических растворов для фотоэлектрохимического разложения воды
Результаты этапа: Предполагается решить следующие задачи: - Синтезировать гидротермальным, гидротермально-микроволновым методами и методом сверхкритической сушки гелей (при различных температурах 150-250оС, концентрациях растворов NaOH и KOH (1,0 – 10,0 М), продолжительностях синтеза 2 - 24 ч) нанопорошки титаната калия, аэрогели на основе анатаза состава VxTi1-xO2 (с 5 и 10 атомными % ванадия), упорядоченные нановолокна титанатов натрия и калия на титановой фольге, пленки нанокристаллического анатаза (из аморфного диоксида титана, выращенного методом анодного окисления на титановой фольге). - Исследовать зависимость состава, структуры и физико-химических свойств синтезированных образцов от условий синтеза. - Исследовать фотокаталитическую активность полученных материалов в реакции фотоэлектрохимического разложения воды. В частности исследовать величины тока в электрохимических ячейках с электродами из полученных в разных условиях синтеза материалов (пленки упорядоченных нановолокон титанатов натрия и калия и пленки нанокристаллического анатаза на поверхности титановой фольги) с целью выявления пленок с наиболее высокими электрохимическими характеристиками и фотокаталитической активностью в реакции фотоэлектрохимического разложения воды при УФ-облучении.Таким образом, синтезированные в ходе выполнения данного проекта наноматериалы должны быть исследованы на возможность применения в качестве порошковых фотокаталитических систем и в качестве электродов в процессах фотоэлектрохимического разложения воды, что будет сделано впервые.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Синтез нанопорошков и упорядоченных наноструктур на основе диоксида титана из гидротермальных и сверхкритических растворов для фотоэлектрохимического разложения воды
Результаты этапа: - Методом анодного окисления с последующей гидротермальной кристализацией (в дистиллированной воде при температуре 250°С в течение 2 часов и давлении насыщенного пара воды 4 МПа) получены нанотрубки метастабильной модификации диоксида титана - анатаза на поверхности титановой фольги. Синтезированные наноструктуры исследовали методами РФА, РЭМ, ТГА. Согласно данным РФА и ЭД, происходит перекристаллизация исходных трубок с образованием анатаза. Гидротермальная кристаллизация пленок позволяет избегать образований трещин, которая происходит при термической обработке. - Фотоэлектрохимические свойства полученных пленок демонстрируют высокую эффективность материалов в реакции фоторазложения воды. Максимальная эффективность материалов наблюдалась при приложении 1.2 В, при этом значение фототока достигает 7.2 мкА/см2. Эта величина лимитирована рекомбинацией носителей заряда, которая происходит из-за медленного процесса окисления молекул воды фотогенерированными дырками. Исходный незакристализованный анодный аморфный дикосид титана показывает нулевую фотоактивность. Максимум квантовой эффективности достигается при 250 нм и составляет 3.2 % при 0 В и 6.5 % при потенциале 1.2 В. - Предложена методология сверхкритического синтеза аэрогелей на основе оксидов ванадия с контролируемым соотношением V3+/V4+. Содержание ионов V3+ линейно увеличивается, а ионов V4+ линейно уменьшается с ростом объемной доли восстановителя (этанола) в первичном растворителе, что подтверждено с помощью РФА и РФЭС исследований. Морфология аэрогелей зависит от типа прекурсора (свежеприготовленный гель или ксерогель V2O5•nH2O) и не зависит от содержания этанола. - Было проведено исследование электрохимических свойств аэрогелей при помощи методов циклической вольтамперометрии, гальваностатического циклирования и импеданс-спектроскопии. Среди аэрогелей на основе оксидов ванадия, полученных с использованием различных сверхкритических растворителей, по показателям разрядной емкости можно выделить материал, полученный в гексане – его емкость составляет 350 – 250 мАч/г на протяжении первых семи циклов. Аэрогель же, полученный в октане, имеет несколько меньшую емкость (250 – 180 мАч/г). Наиболее изучаемый в литературе аэрогель, который был синтезирован в СК-CO2, в настоящей работе имел наименьшую емкость из всех полученных материалов с такой морфологией.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".