Оптимизация конфигурации двухмасштабных оксидных структур для фотокаталитических приложений

Фотокаталитически активные материалы являются весьма востребованными в свете современных тенденций повышения экологичности процессов производства и жизнедеятельности. Эффективными фотокатализаторами являются оксиды некоторых металлов (титана, вольфрама, цинка и др.), которые могут быть получены электрохимическими методами. Дополнительное использование фотолитографии с целью создания на поверхности фотокатализатора неровностей с заданной конфигурацией повышает эффективность очистки водных растворов под воздействием ультрафиолетового и видимого излучения. Целью данной работы является исследование влияния структурирования подложки на скорость протекания потока жидкости в ее присутствии в рамках модельного эксперимента. Моделирование в программном пакете COMSOL Multiphysics® проводили методом конечных элементов в приближении абсолютно несжимаемой жидкости и k-ε модели турбулентности. Полученные результаты позволили прогнозировать повышение эффективности фотокаталитической очистки воды в проточной системе в присутствии фотокатализатора с поверхностью, содержащей конфигурационные элементы в виде ребер с зазорами. Оптимальные размеры ребер по результатам оценки скорости потока жидкости и области эффективного перемешивания составили: высота ребра h = 0,25-1 мм, ширина ребра w = 1 мм, межреберный зазор g = 5 мм. Миллиметровый диапазон размеров конфигурационных элементов делает их изготовление более простым по сравнению с элементами микронных и субмикронных размеров и способствует расширению вариантов применяемых технологий для получения фотокаталитически активных подложек. Помимо фотолитографии и электрохимических методов также возможно использование химического травления и золь-гель технологии для получения комбинированных фотокатализаторов с заданной конфигурацией поверхности.

1. Баглов А.В., Шевцова Т.А., Хорошко Л.С., Дудчик Н.В., Дроздова Е.В., Борисенко В.Е. Формирование иммобилизованного наноструктурированного диоксида титана, обладающего антибактериальными свойствами. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2019;63(2):157-163. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-2-157-163.

2. Linnik O., Khoroshko L. Non-Porous Nitrogen and Ruthenium Co-Doped Titania Films for Photocatalysis. International Journal of Nanoscience. 2019;18(3-4):194043-1-194043-5. https://doi.org/10.1142/S0219581X1940043X.

3. Zhou X., Liu N., Schmuki P. Photocatalysis with TiO2 nanotubes: “colorful” reactivity and designing sitespecific photocatalytic centers into TiO2 nanotubes. ACS Catalysis. 2017;7(5):3210-3235. https://doi.org/10.1021/acscatal.6b03709.

4. Khoroshko L., Gaponenko N., Krutko E., Kulak A. Photocatalytic activity of TiO2 and SrTiO3 xerogels embedded in porous anodic alumina. in Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. Editors: Borisenko V.E., Gaponenko S.V., Gurin V.S., Kam C.H. Singapore:World Scientific Publ. 2015:377-380. https://doi.org/10.1142/9789814696524_0092.

5. Баглов А.В., Радионов А.А., Чубенко Е.Б., Зайцев В.А., Борисенко В.Е. Установка для фотокаталитической очистки воды от органических загрязнений в проточном реакторе. Доклады БГУИР. 2018;4(114):45-50.

6. Baglov, A.V., Denisov, N.M., Borisenko, V.E., Uglov V.V., Malashevich A.A. Photocatalytic activity of nanostructured titania coatings on aluminum substrates. Inorganic Materials. 2017;53:1180-1184. https://doi.org/10.1134/S0020168517110036.