Наноразмерен титанов диоксид и негови модификации: синтез и фотокаталитично поведение

Настоящата монография е посветена на съвременните аспекти на наноматериалите и наноразмерния титанов диоксид – един от най-интензивно изследваните и широко използвани наноматериали в съвременната наука и индустрия.

Открит през далечната 1791 г. от духовника и минералог Уилям Грегор, титановият диоксид се отличава с висока биологична и химична стабилност, голяма повърхностна площ, ниска токсичност и висока фотокаталитична активност. Терминът “фотокатализа” в най-широк смисъл илюстрира действието на вещество, чиято функция се активира при абсорбиране на светлина. По-конкретно, фотокатализата се изразява във възбуждане на полупроводниковата повърхност при облъчване със светлина с енергия, равна или по-висока от тази на забранената зона на полупроводника (˂390 nm), при което електроните от валентната зона се възбуждат и преминават в зоната на проводимост, като се генерират положителни електронни ваканции във валентната зона. Тези електрони и дупки са носители на заряд, които задвижват процесите на редукция и окисление, основно отговорни за генерирането на активни форми, разграждащи органичните молекули.

Голямата повърхностна площ в съчетание с малкия размер на частиците представляват желана комбинация за наночастиците титанов диоксид. За постигането на тази комбинация от значение са видът на използвания метод и условията на синтез на фотокатализатора. Съществен недостатък на фотокатализата с титанов диоксид е необходимостта от облъчване с ултравиолетова светлина и неефективното използване на видимата светлина, поради което усилията на изследователите са насочени към разработването на фотокатализатори на основата на титановия диоксид с изместване на абсорбцията от ултравиолетовия към видимия диапазон на светлинния спектър.

За постигането на тази цел се използват различни подходи, като контролиран синтез на наноразмерен титанов диоксид с желана морфология, както и получаването на композитни материали с добавени наночастици на метали, други оксиди и др. Това води, от една страна, до намаляване на рекомбинацията на генерираните заряди и до т.нар. “батохромен ефект” – намаляване на ширината на забранената зона. В научната литература преобладава мнението за положителния ефект от дотирането, но в някои публикации е показано, че използването на добавки не повлиява морфологията, размера на частиците, фазовия състав и други свойства, свързани с фотокаталитичната активност на титановия диоксид.

Пълното разбиране на взаимовръзката между структурните характеристики на наноматериалите и фотокаталитичната ефективност при разграждането на замърсители все още предстои да бъде постигнато, а механизмите за това към момента представляват предизвикателство за изследователите. Въпреки многобройните изследвания и натрупаните експериментални данни за фотокаталитичните процеси на базата на титановия диоксид, все още остават редица проблеми и въпроси, чиито решения и отговори са предстоящи.

Към настоящия момент не е докладвано за съществуването на мултифункционален фотокатализатор, който да съчетава характеристики като отлична фотокаталитична активност при видима светлина, висока адсорбционна способност, висока стабилност, възможност за многократна употреба и доказана безопасност за живите организми. Възможностите за получаване на полупроводникови структури на основата на титановия диоксид, притежаващи оптимални свойства, все още не са изчерпани.

------------
Рецензенти: проф. дхн Христомир Йорданов Христов, доц. д-р Денчо Иванов Михов
------------