Фотокатализатор очиститель: Фотокаталитические очистители воздуха

Фотокаталитический очиститель воздуха, устраняющий вирус SARS-CoV-2 – ключ к возрождению Японии

В октябре 2020 года компания «Калтек» (Осака) провела успешные испытания уникального дезинфектора, устраняющего вирус SARS-CoV-2 с помощью фотокаталитической очистки. В ходе испытаний, проводимых совместно с медицинским факультетом университета Нихон и НИИ Рикэн, дезинфектор за 20 минут устранил 99,9% вируса. Что значит успех венчурной компании для японской промышленности?

Фотокатализ – открытие японских учёных

Пандемия COVID-19 возродила интерес к открытию японских учёных полувековой давности – технологии фотокатализа.

Фотокатализатор – это вещество, ускоряющее химическую реакцию под воздействием света. Наиболее распространённым фотокатализатором является диоксид титана, который при облучении превращается в мощный окислитель. Технологии фотокатализа расщепляют находящиеся на поверхности веществ токсины и вызывающие запах вещества на безвредную воду и двуокись углерода.

Фотокатализ открыл Фудзисима Акира (бывший ректор Токийского физического университета) во время обучения в докторантуре Токийского университета. В 1972 году он обнаружил, что находящийся в воде диоксид титана под воздействием света выделяет в воду кислород, и опубликовал научную статью о фотокаталитических свойствах диоксида титана в авторитетном британском научном журнале «Nature». С тех пор технологии фотокатализа стали применяться для автоматической очистки внешних стен и крыш жилых домов и офисных зданий. Например, диоксид титана использовался в процессе окраски внешних стен построенного в 2002 году рядом с Токийским вокзалом здания Маруноути, а также белой навесной крыши Токийского вокзала со стороны Яэсу. В 2020 году, почти через полвека после открытия Фудзисимы, технологии фотокатализа вновь оказались в центре внимания.

Дезактивация вируса SARS-CoV-2 на 99,9%

В середине октября 2020 года во время пресс-конференции венчурная компания «Калтек» (г. Осака) сделала сенсационное заявление: «Уникальный фотокатализатор, используемый в дезинфекторе компании «Калтек», способен дезактивировать вирус SARS-CoV-2». В ходе совместного эксперимента при участии медицинского факультета университета Нихон и НИИ Рикэн было установлено, что дезинфектор, находящийся в 120-литровой ёмкости с плавающими вирусами (включая SARS-CoV-2), за 20 минут способен дезактивировать новый коронавирус на 99,9%, то есть выполнить дезинфекцию.

Аида Ёко, старший исследователь медицинского факультета университета Нихон, рассказывает о результатах эксперимента по дезактивации вируса SARS-CoV-2 с помощью дезинфектора компании «Калтек» (@ «Калтек»)

Презентация «Калтека» достойна внимания по двум причинам. Во-первых, хотя эксперимент проводился в герметичной среде, то есть экспериментальные условия отличались от обычных условий эксплуатации дезинфектора, его результаты доказали эффективность технологий фотокатализа в борьбе с новым коронавирусом.

Во-вторых, эти результаты были получены молодой венчурной компанией, появившейся на свет в апреле 2018 года. «Калтек» был учреждён Сомэи Дзюнъити, бывшим сотрудником компании «Sharp», и его коллегами. Почему Сомэи оставил работу в такой крупной и известной компании ради развития технологий фотокатализа в стартапе? Почему он предпочёл начать всё с нуля? На пресс-конференции Сомэи рассказал о существующих в крупных компаниях барьерах и роли венчурного бизнеса, который, по его мнению, является ключом к возрождению Японии.

Шокирующая командировка в Шри-Ланку

Впервые Сомэи задумался о разработке изделий с применением технологий фотокатализа около 10 лет назад. К тому времени у него за плечами была 25-летняя карьера в «Sharp». Сомэи узнал о фотокатализе во время учёбы в техникуме. «Это открытие поразило меня в самое сердце, как будто я встретился с самой прекрасной женщиной в мире», – вспоминает Сомэи. После техникума Сомэи отучился в университете и поступил на работу в «Sharp», всё это время продолжая интересоваться фотокатализом. В «Sharp» он посвятил себя разработке телевизионных тюнеров и светодиодов, однако фотокатализ продолжал жить в его сердце подобной тайной возлюбленной.

Поворотный момент наступил, когда Сомэи перевели в Центр развития корпоративного бизнеса (позднее – отдел по работе с корпоративными клиентами). В качестве лидера группы в его обязанности входила разработка новых проектов, и он предложил выпускать фотокаталитические очистители воздуха. Сомэи был убеждён, что высокий уровень развития этих технологий позволит изделиям выйти на рынок.

Существовала ещё одна причина, по которой Сомэи стремился найти применение технологиям фотокатализа. Ему довелось участвовать в проекте технологической помощи Японского Агентства международного сотрудничества (JICA) в Шри-Ланке. «Sharp» предоставлял местным фермерам светодиодные лампы для борьбы с насекомыми, и Сомэи в качестве разработчика выехал в Шри-Ланку для проведения исследования на местах. Он был шокирован увиденым – удобрения, получаемые фермерами от правительства для повышения урожайности, причиняли серьёзный ущерб здоровью, многие дети умирали от хронических почечных заболеваний.

«Здесь можно применить фотокатализ», – подумал Сомэи. Если пропускать загрязнённую удобрениями воду через оборудование с фотокаталитическими фильтрами, это может спасти детям жизнь. Именно тогда Сомэи осознал, что фотокатализ может не только поддерживать чистоту внешних покрытий на зданиях, но и спасать жизни.

Неприятие новаторства

Однако на работе предложения Сомэи постоянно отклонялись. «Sharp» выпускал очистители воздуха, кондиционеры и генераторы ионов под брендом «Plasmacluster». В этих изделиях применялась уникальная технология очистки воздуха с помощью генерации ионов (Н+ и О₂-). Ряд подразделений, особенно отдел продаж, выступали против создания изделий, способных конкурировать с брендом «Plasmacluster».

«Я постоянно получал отказы. Руководство считало мои идеи интересными, однако отдел продаж и отдел разработки изделий всегда блокировали мои начинания. Я понимал их точку зрения. Демонстрация возможностей фотокатализа неизбежно вызовет вопрос «Это лучше, чем «Plasmacluster»?». Я даже предлагал не привлекать внимание к самой технологии, а делать акцент на эффективности дезинфекции и дезодорирующей функции, однако эта идея тоже не встретила понимания»

Сомэи пытался внедрить технологии фотокатализа на протяжении двух лет, но потерпел полное фиаско. «Тогда я задумался об уходе из компании. Если в «Sharp» ничего не выходит, нужно развивать собственный бизнес. Мне потребовалось ещё два года, чтобы принять окончательное решение. Когда я решился учредить свою компанию, все сомнения исчезли»

56-летний предприниматель

В это время «Sharp» испытывал нелёгкие времена. Компания сильно зависела от ключевой продукции – жидкокристаллических телевизоров и панелей, в которые были вложены огромные инвестиции, однако обострение конкуренции привело к снижению рентабельности и огромному дефициту бюджета. Летом 2016 года тайванская компания «Foxconn» приобрела «Sharp» и распустила отдел по работе с корпоративными клиентами.

В марте 2018 года Сомэи уволился из «Sharp», а в июле вместе с семью бывшими коллегами учредил компанию «Калтек». Сомэи было 56 лет.

Для успешного применения технологий фотокатализа пришлось решить ряд проблем, однако уже в декабре 2019 года в продажу вышел первый настенный очиститель воздуха, а в октябре 2020 – портативный очиститель для ношения на шее. Продажи фотокаталитических очистителей воздуха постепенно растут, и прогноз годовой выручки от продаж на сентябрь 2021 года составляет 10 миллиардов йен. В будущем Сомэи собирается использовать технологии фотокатализа для очистки воды.

Очиститель воздуха с функцией деодорирования «Turned K» (@ «Калтек»)

Почему это новаторское изделие стало детищем венчурного бизнеса, а не крупной корпорации?

В последнее время структура японских гигантов утрачивает гибкость, они разучились внедрять передовые идеи и ориентироваться на прогресс. Предложения Сомэи отклонялись во избежание конкуренции с существующими проектами. Это симптом структурной болезни крупных корпораций, когда интересы отдельных подразделений доминируют над интересами компании и её роста.

Приоритет развития – ключ к выживанию предприятий

Нельзя сбрасывать со счетов и проблему высшего руководства. Отдел продаж противился внедрению технологий фотокатализа из-за их перспективности. Если бы высшее руководство сумело предвидеть риск внутренней конкуренции и решить проблему в пользу корпоративных интересов с учётом долгосрочной перспективы, всё могло быть иначе. Решение внутренних структурных проблем – это сфера ответственности высшего руководства. Неспособность решать такие проблемы подрывает основы предприятия. «Sharp» уже сталкивается с устареванием существующих изделий и ухудшением окупаемости в условиях ценовой конкуренции.

Структурные проблемы — бич всех крупных японских корпораций. Многие перспективные предложения остаются в тени из-за внутренней конкуренции. Сотрудники не могут внедрить свои идеи и вынуждены делать только то, что им говорят. Однако стать предпринимателем не так-то легко — нужно решать финансовые и кадровые вопросы, добиваться заключения контрактов с покупателями. Отважных предпринимателей, уверенных в успехе и готовых идти к цели вместе с мотивированными единомышлениками, очень мало.

Крупным компаниям следует вернуть гибкий подход. Наряду с этим, в стране следует создать условия для развития предпринимательства. Только сочетание этих факторов способно оздоровить Японию. Пример «Калтека» — яркое тому свидетельство.

Фотография к заголовку: президент «Калтэка» Сомэи Дзюнъити (справа) и старший исследователь медицинского факультета университета Нихон Аида Йоко рядом с оборудованием для проведения эксперимента по дезактивации вируса SarS-Cov-2 (@ «Калтэк»)

Статьи по теме

• Корпорация Sharp: в чём суть неудач и возможно ли возрождение?
• Экономия до 90% воды: разработка японской компании
• Сверхтонкие иглы для микрохирургии: вклад японской компании в медицину будущего
• Заморозка сохранит вкус продуктов… и жизнь на Земле? Взгляд на технологию CAS, созданную в компании Abi
• Японские мастера высокоточной металлообработки
• Технологии будущего на страже безопасности условий труда
• На чем держатся японские синкансэны: гайки Hard Lock Industry

Фотокатализ

Современное понятие «фотокатализ» звучит как » изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ — фотокатализаторов, которые в результате поглощения ими квантов света способны вызывать химические превращения участников реакции, вступая с последними в промежуточные химические взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий».

Сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения диапозона А ( с длиной волны более 300 нм). Реакция протекает при комнатной температуре и при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов воздуха, до двуокиси углерода, воды и азота.

Любой фотокаталитический очиститель воздуха вкпючает в себя пористый носитель с нанесенным ТiО2- фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух.

фотокаталитическая очистка воздуха

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии и вирусы, адсорбируются на поверхности фотокатализатора ТiО2, нанесенного на пористый носитель (фотокаталитический фильтр). Под действием света от УФ лампы, диапазона А, их органические и неорганические компоненты, окисляются до углекислого газа и воды.

ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОТОКАТАЛИЗА

TiO2 — полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: в свободном и связанном.

В первом случае, электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti+4 и анионами кислорода О2-
Во втором случае, основном электроны связанны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3.2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длинной волны l <390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы TiO2 рождаются свободный электрон и электронная вакансия. В физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой.
Электрон и дырка — достаточно подвижные образования и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рисунке.

Принцип действия полупроводникового фотокатализатора

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон — это вероятно, Ti3+ на поверхности, а дырка локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О-, Таким образом на поверхности оксида образуются чрезвычайно реакционноспособные частицы. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности TiO2 характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ~ — 0.1 В, потенциал дырки ~ +3 В относительно нормального водородного электрода.

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН — радикал. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом. Дырка реагирует либо с водой: либо с любым адсорбированным органическим ( в некоторых случаях и неорганическим) соеденением OH — радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO2 под действием света становиться сильнейшим окислителем.

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии и вирусы, адсорбируются на поверхности фотокатализатора ТiО2, нанесенного на пористый носитель (фотокаталитический фильтр). Под действием света от УФ лампы, диапазона А они окисляются до углекислого газа и воды.

OH — радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO2 под действием света становиться сильнейшим окислителем.

Эффективность действия фотокаталитического очистителя можнопродемонстрировать следующим опытом. Очиститель помещается в замкнутый объем (около 190 л), туда же добавляется ацетон, аммиак и угарный газ. Наблюдение ведется по убыли ацетона и накоплению

СО2. Кинетические кривые этого процесса представлены на рисунке:

Фактически фотокатализ дает уникальную возможность глубоко окислять органические соединения в мягких условиях. А простота самих устройств позволяет надеяться на прекрасные перспективы использования этого метода на практике.

Гидропероксид (перекись водорода, гидропирит) – вещество натуральное, очень хорошо и активно представлено в природе, и в природе это вещество обладает функциями обеззараживания, нейтрализации и имеет очень простую формулу Н2О2.

Т.е., есть вода Н2О и когда добавляется еще одна молекула кислорода — получается гидропероксид. Многие женщины знакомы с этим веществом, помните поговорку – «Ничто так не красит женщину, как перекись водорода». Так вот смысл этого вещества в реакции нейтрализации.

Например, с помощью перекиси водорода можно остановить кровотечение. Зашипела, произошла реакция нейтрализации, кровотечение остановилось. Сама же перекись водорода стала прозрачной.

Перекись водорода — естественный природный очиститель, вернее одновременно, нейтрализатор и очиститель.

Гидропероксид может быть и в газообразном состоянии, и присутствие в воздухе ионов гидропероксида очищает организм, очищает легкие и очень благотворно влияет на здоровье человека.

Благодаря приборам EcoQuest, их технологиям, которые преобразуют воду, растворенную в воздухе в гидропероксид Вы можете сделать воздух в своем доме идеально чистым и сохранить свое здоровье. Гидропероксиды будут очищать и обеззараживать воздух.

Как это происходит?

Прибор генерирует активный кислород (озон). Озон реагирует с водой, к молекуле воды добавляется активный атом от молекулы озона и образуется молекула гидропероксида, а озон снова становится кислородом. Далее молекулы гидропероксида нейтрализуют, обеззараживают и очищают воздух не только в приборе но и во всем объеме помещения. Процесс генерирования молекул гидропероксида ставит приборы компании EcoQuest на порядок выше по эффективности, по сравнению с другими воздухоочистителями.

Фотокаталитическая очистка воздуха, имитирующая процесс самоочищения атмосферы

Фотокаталитическая очистка воздуха — многообещающая технология, имитирующая фотохимический процесс в природе, но ее практическое применение все еще ограничено, несмотря на значительные исследования, проведенные в последние десятилетия. Здесь мы кратко обсудим прогресс и проблемы, связанные с этой технологией.

Фотокатализ как экологически чистый метод очистки воздуха

Загрязнение воздуха представляет серьезную опасность для здоровья человека и окружающей среды и требует высокоэффективных и жизнеспособных технологий очистки ¹ . Существуют различные технологии борьбы с загрязнителями воздуха, среди которых наиболее часто применяется адсорбция с использованием активированных углей или высокопористых материалов. Однако адсорбенты необходимо часто заменять, эффективность адсорбции значительно снижается во влажных условиях из-за конкурирующей адсорбции паров воды, а равновесная адсорбционная способность значительно снижается при низких концентрациях загрязнителей воздуха, несмотря на большую площадь поверхности адсорбентов. . Другие технологии, такие как ультрафиолетовое излучение, ионизация и нетермическое плазменное разложение, могут генерировать озон как вредный побочный продукт. Термокаталитическая деструкция эффективна, но энергозатратна. Для биоразложения обычно требуются крупномасштабные установки, и его активность сильно ограничивается факторами окружающей среды. Учитывая вышеизложенные ограничения, фотокаталитическое окисление (ФКО) предлагается в качестве идеальной технологии для очистки воздуха, поскольку оно может расщеплять различные загрязнители воздуха до нетоксичных или менее вредных форм с использованием солнечного (или искусственного) света в условиях окружающей среды ² . Процесс фотокатализатора (ПК) (уравнение 1) имеет некоторое внутреннее сходство с механизмом самоочищения в атмосфере Земли (уравнение 2), поскольку оба они основаны на непрямом (сенсибилизированном) фотоокислении с образованием окислителей in situ (например, • OH) в воздух.

$ $ {\ mathrm {ПК}} \, ({\ mathrm {гетерогенный}} \, {\ mathrm {сенсибилизатор}} \, {\ mathrm {такой}} \, {\ mathrm {как}} \, {\ mathrm {Ti}} {\ mathrm {O}}} _ {2}) + {{\ rm {H}}} _ {2} {\ rm {O}} (g) + h \ nu \ ,\,{\to }\,\,{\scriptstyle{\bullet}} {\rm{OH}}$$

(1)

$${\rm{O}}_{3}({{\mathrm{молекулярно}}\,{\mathrm{сенсибилизатор}}})+{{\rm{H}}}_{2}{\ rm{O}}(g)+h\nu\to {2}\,{\scriptstyle{\bullet} }{\rm{OH}}+{{\rm{O}}}_{2}$$

(2)

Важными преимуществами фотокаталитической очистки воздуха являются (1) отсутствие необходимости в химикатах или внешней энергии, кроме света, который не требует больших затрат при использовании окружающего света или солнечного света, (2) безопасная работа в условиях окружающей среды и относительно нечувствительная к влаге активность и (3) способность полностью минерализовать летучие органические соединения (ЛОС) до CO ₂ и H ₂ O. С другой стороны, этот процесс страдает от низкой эффективности использования фотонов и медленной скорости удаления, сложности масштабирования и загрязнения/деактивации фотокатализаторов при длительной работе.

Материалы и характеристики процесса фотокатализа

Лучшей особенностью фотокатализа, отличающей его от термического катализа, является потребность в фотонах, поток которых ограничивает общий процесс. В результате многие реакции PCO в большей степени ограничены потоком фотонов, чем площадью активной поверхности, в отличие от большинства методов гетерогенного катализа. Фотокатализаторы поглощают фотоны, образуя пары электронов и дырок, которые реагируют с кислородом, водой и поверхностными гидроксильными группами с образованием активных форм кислорода (АФК), таких как •OH, O ₂ • ⁻ /HO ₂ •, ¹ O ₂ и H ₂ O ₂ , которые являются ключевыми окислителями, разлагающими загрязнение воздуха. утанты. Поскольку большинство электронно-дырочных пар быстро рекомбинируются, лишь небольшая часть из них (во многих случаях менее 1%) успешно вызывает реакции PCO. На протяжении десятилетий было предпринято много усилий для повышения эффективности использования фотонов, но успешные результаты все еще ограничены. Наиболее изученный подход заключается в том, чтобы расширить край светопоглощения фотокатализатора до диапазона видимого света, чтобы можно было использовать больше фотонов ³ . Анализ исследовательской литературы (опубликованной в 1999–2018 гг.) по фотокатализаторам для очистки воздуха показывает, что наибольшая доля приходится на модифицированный TiO ₂ (55,9%), за ним следуют материалы на основе Bi (11,9 %) и WO ₃ ( 7,3%), среди исследованных фотокатализаторов видимого света ² . Что касается модифицированных материалов TiO ₂ с видимой световой активностью, то в большинстве исследований изучалось легирование примесями и гетеропереходы с узкозонными полупроводниками или металлическими наночастицами. Эти методы также полезны для повышения эффективности разделения зарядов и последующего увеличения количества АФК. Интересно отметить, что TiO ₂ Фотокатализаторы по-прежнему являются наиболее изученными и наиболее практичными вариантами для очистки воздуха, несмотря на то, что в академических исследованиях уделяется большое внимание разработке новых материалов, активных в видимом свете. Хотя модифицированный TiO ₂ , как правило, не является сильным поглотителем видимого света, сильный окислительный потенциал края валентной полосы (VB) TiO ₂ , наряду с его превосходной стабильностью, низкой стоимостью и низкой токсичностью, делает его практичным фотокатализатором. . В результате в большинстве исследований по применению фотокаталитической очистки воздуха использовался чистый и модифицированный TiO 9 .0021 2 , который вряд ли будет заменен новыми фотокаталитическими материалами в ближайшем будущем ^4,5 .

Явной тенденцией в исследованиях по разработке фотокаталитических материалов является поиск недорогих и широко распространенных материалов с высокой активностью видимого света в качестве альтернативы TiO ₂ , чтобы сделать технологию более осуществимой. Одним из популярных кандидатов являются материалы на основе углерода, такие как g-C ₃ N ₄ и его производные, а также различные углеродные наноматериалы, такие как восстановленный оксид графена, углеродные нанотрубки и наноалмазы, которые также были протестированы для замены дорогостоящих сокатализаторов из благородных металлов (например, Pt, Au, Pd) ^6,7 . Однако материалы на основе углерода обладают низкой фотоактивностью и долговременной нестабильностью при облучении из-за их склонности к фотоокислению. Хотя более эффективные фотокаталитические материалы видимого света были тщательно протестированы, окислительно-восстановительная способность возбужденных электронов и дырок в фотокатализаторах видимого света ниже, чем у УФ-активных фотокатализаторов. Использование менее энергичных фотонов приводит к снижению мощности окислительно-восстановительного потенциала; поэтому следует отметить, что фотокатализаторы видимого света не всегда являются лучшим практическим решением для целей очистки воздуха.

Другим важным вопросом при разработке фотокаталитических материалов для очистки воздуха является долговечность материалов, которой в большинстве исследований уделялось гораздо меньше внимания, чем фотоактивности, хотя она является наиболее важным фактором для практического применения. Обычно наблюдается постепенная дезактивация фотокатализаторов в ходе фотореакций. Это может быть вызвано внутренней нестабильностью фотокаталитического материала, но чаще загрязнением поверхности катализатора в результате накопления неподатливых промежуточных продуктов и продуктов. Такое загрязнение катализатора при обработке воздуха является более серьезным, чем загрязнение при фотокатализе в водной фазе, когда вода как растворитель растворяет продукты разложения и промежуточные продукты и препятствует их накоплению на поверхности. Загрязнение поверхности фотокатализатора чаще всего наблюдается при разложении ароматических ЛОС и гетероатомсодержащих (например, N, S и P) ЛОС в результате накопления трудновосприимчивых и нелетучих продуктов ^5,8 . Кроме того, при реальном применении фотокаталитической очистки воздуха следует учитывать наличие неприятных компонентов, таких как пыль и аэрозольные частицы, которые быстро загрязняют поверхность фотокатализатора, что серьезно ограничивает применение этого метода на открытом воздухе. Обеспечение долгосрочной долговечности фотокатализаторов в реальном мире за пределами лабораторных условий представляет собой самую большую проблему при коммерциализации этой технологии, которой до сих пор уделялось мало внимания. Разработка практических фотокаталитических систем очистки воздуха должна требовать целостного подхода, который объединяет проектирование/подготовку материалов с различными составами, структурами и морфологией; оптимизация условий реакции; проектирование и проектирование реакторов; и гибридизация с другими технологиями (рис. 1).

Рис. 1: Целостный подход к практическому применению фотокаталитической очистки воздуха с учетом различных аспектов техники и материалов.

a гибридизация фотокатализа с другими технологиями, b разработка фотокаталитического реактора, c методы иммобилизации фотокатализатора, d недорогие фотокаталитические материалы, e фотокаталитическая активность как функция длины волны , ф стойкость фотокатализаторов к дезактивации и обрастанию. Содержание этого рисунка адаптировано с разрешения Weon et al. ⁴ Copyright (2018) Американское химическое общество.

Увеличить

Реакции фотокаталитического разложения различных химических соединений имеют высокую субстратную специфичность и сильно зависят от молекулярной структуры и состава целевых соединений, а также от типа фотокатализатора ^8,9 . Существует широкий спектр загрязнителей воздуха, эффективность фотокаталитического удаления которых сильно различается, и в огромном количестве опубликованных исследований сообщается о фотокаталитическом разложении загрязнителей воздуха. Поиск в Google Scholar по исследовательским статьям на тему « фотокаталитическая деградация загрязнителей воздуха » показывает 195 000 результатов! Основная проблема при анализе этих опубликованных результатов заключается в том, что очень сложно напрямую сравнивать данные фотокаталитической активности, измеренные разными методами и в разных экспериментальных условиях. Поэтому существует острая необходимость стандартизировать измерения и оценки для сравнения данных фотокаталитической активности, полученных из разных лабораторий. Насколько нам известно, современные методы очистки воздуха ISO доступны только для удаления NO, ацетальдегида, толуола, формальдегида и метилмеркаптана, но очень немногие исследования следуют этим стандартам ¹⁰ . Еще предстоит разработать более унифицированные и стандартизированные методы испытаний для фотокаталитической очистки воздуха.

Некоторые практические соображения для коммерческого применения

Проектирование, оптимизация и масштабирование фотокаталитических реакторов являются сложными задачами для коммерциализации фотокаталитической очистки воздуха. Оптимизация реактора PCO является более сложной, чем оптимизация типичных гетерогенных каталитических реакторов, поскольку процесс PCO должен учитывать как параметры массопереноса, так и доставки света. Идеальный реактор должен позволять достаточному количеству фотонов достигать всей площади поверхности фотокатализатора, чтобы максимизировать общую эффективность обработки воздуха. Первым важным шагом в подготовке практических фотокаталитических реакторов является иммобилизация прочного и прочного слоя фотокатализатора на опорной поверхности. Фотокатализаторы могут быть иммобилизованы различными методами, такими как золь-гель метод, термическое напыление, химическое/физическое осаждение из паровой фазы и электрофоретическое осаждение, за которым обычно следует высокотемпературный обжиг для достижения более высокой кристалличности и более прочной адгезии на подложке ¹¹ . Эта термическая обработка технически проста, но представляет собой серьезное препятствие для практического изготовления реакторов увеличенного масштаба, поскольку требует значительного энергопотребления и большой печи или нагревательного оборудования, что должно увеличить общую стоимость. Таким образом, процесс иммобилизации фотокатализатора без термической обработки весьма желателен, но остается сложной задачей. Успешная разработка процесса иммобилизации при температуре окружающей среды станет прорывом в облегчении коммерческого применения фотокатализаторов для различных целей.

При проектировании реакторов пластинчатые и кольцевые реакторы обычно используются в лабораторных исследованиях, но они не подходят в качестве практических реакторов из-за их низкого расхода воздуха и площади реакции. Реакторы монолитного типа с компактной конструкцией имеют высокую производительность и малый перепад давления, но интенсивность света быстро гасится через монолиты, препятствуя равномерному освещению поверхности катализатора. Для улучшения характеристик реакторов были разработаны модернизированные реакторы, такие как многопластинчатые реакторы, многокольцевые реакторы, монолитные реакторы с параллельными каналами и сотовые реакторы с радиальной утечкой из оптоволокна ¹² .

Несмотря на множество преимуществ, фотокаталитическая очистка воздуха имеет серьезные ограничения, такие как низкая скорость очистки. Комбинация фотокатализа с другими технологиями, такими как адсорбционный фотокатализ, фототермический катализ и плазменный фотокатализ, была предложена как многообещающий метод, обеспечивающий синергетические преимущества. Гибридизация адсорбента и фотокатализатора должна повысить способность очистки за счет быстрого захвата поступающих целевых соединений на поверхность катализатора/адсорбента, особенно когда способность фотокаталитического разложения не может соответствовать быстрому притоку целевых соединений на поверхность в режиме реального времени. Непосредственно адсорбированные целевые молекулы могут постепенно разрушаться на фотокаталитических активных центрах путем регенерации поверхности адсорбента ¹³ . Стратегия захвата и разложения может преодолеть дисбаланс между быстрым притоком и медленным фотокаталитическим разложением целевых соединений. Фототермический катализ сочетает в себе высокую эффективность и долговечность термокаталитического окисления с низким энергопотреблением фотокаталитического окисления ¹⁴ . Плазма способствует разложению загрязнителей воздуха, а фотокатализ снижает образование нежелательных побочных продуктов (например, NO _x и O ₃ ), которые часто производятся с помощью плазменного катализа ¹⁵ . Несмотря на отличительные преимущества, гибридные процессы все еще находятся на ранней стадии, и требуются более глубокие исследования для выяснения синергетических механизмов и решения практических инженерных вопросов.

Outlook

Использование света для очистки загрязненного воздуха — это идеальная технология, которая имитирует природный процесс и имеет большой потенциал для развития в качестве ключевой технологии очистки воздуха, которая все еще нуждается в крупных прорывах в нескольких областях. Хотя текущие академические исследования в значительной степени сосредоточены на разработке материалов, разработка для коммерциализации требует большего изучения практических вопросов, таких как предотвращение загрязнения / дезактивации фотокатализатора, простая и низкотемпературная иммобилизация фотокатализаторов на носителе, а также эффективная и экономичная конструкция реактора. Обширный поиск новых и новаторских материалов для замены классического TiO ₂ в качестве фотокатализатора для очистки воздуха не был очень успешным для практических целей, и ожидается, что фотокатализаторы на основе TiO ₂ в настоящее время останутся основным материалом. В целом, наиболее подходящим применением фотокаталитической очистки воздуха, по-видимому, является воздух внутри помещений, где содержание загрязняющих веществ находится на уровне ниже ppm, а мешающие вещества, такие как пыль и аэрозоли, можно контролировать на минимальном уровне. Идеальным сценарием для фотокаталитической очистки воздуха в помещении является использование окружающего комнатного света, что требует разработки более активных материалов, реагирующих на видимый свет. Будущие исследования в области фотокаталитической очистки воздуха должны более серьезно решать практические вопросы, чтобы преодолеть разрыв между лабораторными данными и реальными проблемами.

Ссылки

1. Vandyck, T. et al. Сопутствующие выгоды от качества воздуха для здоровья человека и сельского хозяйства уравновешивают затраты на выполнение обязательств по Парижскому соглашению. Нац. коммун. 9 , 4939 (2018).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

2. Веон, С., Хе, Ф. и Чой, В. Состояние и проблемы фотокаталитической нанотехнологии для очистки воздуха, загрязненного летучими органическими соединениями: использование видимого света и дезактивация катализатора. Окружающая среда. науч. Нано 6 , 3185–3214 (2019).

   Артикул КАС Google Scholar

3. Verbruggen, S.W. TiO ₂ фотокатализ для разложения загрязняющих веществ в газовой фазе: от морфологического дизайна до плазмонного усиления. J. Photochem. Фотобиол. C 24 , 64–82 (2015).

   Артикул КАС Google Scholar

4. Weon, S. et al. Активный {001} экспонированный грань TiO ₂ фотокаталитический фильтр с нанотрубками для удаления летучих органических соединений: от разработки материалов до коммерческого применения в очистителях воздуха внутри помещений.

   Окружающая среда. науч. Технол. 52 , 9330–9340 (2018).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

5. Weon, S. & Choi, W. TiO ₂ нанотрубки с открытыми каналами в качестве стойкого к дезактивации фотокатализатора для разложения летучих органических соединений. Окружающая среда. науч. Технол. 50 , 2556–2563 (2016).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

6. Li, Y. X. et al. Реакция Фентона на поверхности раздела твердое тело-газ на подщелаченном фотокатализаторе C ₃ N ₄

   для достижения кажущегося квантового выхода 49% при 420 нм. Дж. Ам. хим. соц. 138 , 13289–13297 (2016).

   Артикул КАС Google Scholar

7. Kim, H.I. et al. Надежные сокаталитические характеристики наноалмазов, загруженных в WO ₃ , для разложения летучих органических соединений под действием видимого света. ACS Катал. 6 , 8350–8360 (2016).

   Артикул КАС Google Scholar

8. Хе, Ф., Мулиан, У., Веон, С. и Чой, В. Особенности минерализации и дезактивации TiO ₂ в качестве фотокатализатора для очистки воздуха в зависимости от субстрата. Заяв. Катал. Б Окружающая среда. 275 , 119145 (2020).

   Артикул КАС Google Scholar

9. Рю, Дж. и Чой, В. Фотокаталитическая активность TiO ₂ , специфичная для субстрата, и тест на мультиактивность при очистке воды. Окружающая среда. науч. Технол. 42 , 294–300 (2008).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

10. Zhong, L. X. & Haghighat, F. Фотокаталитические воздухоочистители и технологии материалов — Возможности и ограничения. Среда сборки. 91 , 191–203 (2015).

    Артикул Google Scholar

11. Вуд Д., Шоу С., Коут Т., Шанен Э. и Ван Хейст Б. Обзор методов иммобилизации фотокатализаторов для очистки воздуха от загрязнения. Хим. англ. Дж. 391 , 123490 (2020).

    Артикул КАС Google Scholar

12. Рен, Х. Дж., Коши, П., Чен, В. Ф., Ци, С. Х. и Соррелл, К. С. Фотокаталитические материалы и технологии для очистки воздуха. Дж. Азар. Матер. 325 , 340–366 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

13. Цзоу, В. С., Гао, Б., Ок, Ю. С. и Донг, Л. Комплексная адсорбция и фотокаталитическая деградация летучих органических соединений (ЛОС) с использованием нанокомпозитов на основе углерода: критический обзор. Хемосфера 218 , 845–859 (2019).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

14. Li, Y.Z., Wu, S.W., Wu, J.C., Hu, Q.Q. & Zhou, C.Y. Фототермокатализ для эффективного снижения выбросов CO и ЛОС.

    Дж. Матер. хим. А 8 , 8171–8194 (2020).

    Артикул КАС Google Scholar

15. Мохаммади, П., Горбани-Шахна, Ф., Бахрами, А., Рафати, А. А. и Фархадян, М. Плазменное фотокаталитическое разложение газообразного толуола с использованием SrTiO ₃ /rGO в качестве эффективного гетероперехода для снижения побочных продуктов и синергетического эффекта. J. Photochem. Фотобиол. C 394 , 112460 (2020).

    Артикул КАС Google Scholar

Скачать ссылки

Благодарности

Эта работа была поддержана Программой ведущих исследователей (NRF-2020R1A3B2079953) и Корейской исследовательской стипендиальной программой (грант № 2018h2D3A1A02038503), которые были финансируется правительством Кореи (MSIT) через Национальный Исследовательский фонд Кореи (NRF).

Информация об авторе

Авторы и аффилированные лица

1. Отдел экологических наук и инженерии и факультет химического машиностроения Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH), Пхохан, Корея

   Фей Хе, Уджунг Чон и Вонён Чой

   9 0150

Авторы

1. Fei He

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия
2. Woojung Jeon

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Wonyong Choi

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

F.H., W.J. и WC задумал и написал рукопись.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Вонён Чой.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Фотокаталитические решения создают самоочищающиеся поверхности

Технологии НАСА

Туманный смог над городами и дым от дымовых труб заводов и электростанций — видимые напоминания об угрозе созданный загрязнение воздуха для окружающей среды и личного здоровья. Но качество воздуха часто оказывает невидимое влияние на нашу жизнь. Даже в ясные дни воздух может быть насыщен твердыми частицами и другими раздражителями, которые могут спровоцировать все: от легкой аллергии до опасных для жизни приступов астмы и других респираторных заболеваний. В помещении — где мы проводим целых 90 процентов нашего времени — уровень загрязняющих веществ может быть в 2–50 раз выше, чем на открытом воздухе. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, загрязнение наружного воздуха в городах вызывает 1,3 миллиона смертей во всем мире в год, в то время как в развивающихся странах загрязнение воздуха внутри помещений приводит к преждевременной смерти примерно 2 миллионов человек.

К счастью, может существовать не менее невидимое решение для снижения ущерба, наносимого загрязнением воздуха не только людям, но также зданиям и инфраструктуре.

НАСА изучило полезные применения процесса, называемого фотокатализом, для использования как в космосе, так и на Земле. Фотокатализ, по сути, противоположен фотосинтезу, процессу, используемому растениями для создания энергии. При фотокатализе свет заряжает минерал энергией, запуская химические реакции, которые приводят к распаду органического вещества на молекулярном уровне с образованием в основном углекислого газа и воды в качестве побочных продуктов.

НАСА изучало преимущества фотокатализа для очистки воды во время космических миссий, и камеры для выращивания растений с фотокаталитическими скрубберами летали в нескольких миссиях НАСА, используя фотокаталитический процесс для сохранения выращенных в космосе культур за счет устранения вызывающего гниение химического вещества этилена. (С помощью технологии скруббера был создан уникальный очиститель воздуха, показанный в Spinoff 2009, который теперь сохраняет продукты и дезинфицирует операционные на Земле. )

Лорен Андервуд, старший научный сотрудник Космического центра Стенниса, начала изучать фотокаталитические материалы в рамках проекта НАСА. партнерство с Министерством внутренней безопасности США, которое расследовало материалы для различных приложений, включая защиту инфраструктуры от террористических угроз. Андервуд объясняет с точки зрения НАСА: «Мы не хотим выводить в космос что-либо, что может быть потенциально опасным. Это перспективное применение этих материалов в будущем — сохранять поверхности не только чистыми, но и потенциально свободными от микробов».

Заинтригованный потенциалом технологии, Андервуд увидел, как фотокаталитические материалы могут принести пользу НАСА и на Земле.

«У нас в Стеннисе много зданий и сооружений, преимущественно белого цвета, и содержание этих зданий в чистоте связано с затратами на техническое обслуживание, — говорит Андервуд. Она начала тестировать фотокаталитические материалы как действенное решение для снижения этих затрат на техническое обслуживание, имея в виду не только потенциальные преимущества НАСА, но и широкую общественность.

Передача технологий

Среди технологий, выбранных для исследования Андервуда, были технологии, разработанные нью-йоркской компанией PURETi Inc., которая разработала новый подход к фотокатализу на основе диоксида титана. (Двуокись титана, обычное соединение, встречающееся во всем, от краски до лосьона для загара и пищевых красителей, действует как фотокатализатор при воздействии ультрафиолетового света.) Обычные методы включения диоксида титана включают плавление или смешивание соединения со строительными материалами или нанесение его с носители на основе растворителей, такие как краска. Однако с помощью этих методов наночастицы диоксида титана слипаются, уменьшая площадь их открытой поверхности и, следовательно, их воздействие света. Большая часть смеси оказывается зарытой в строительный материал, не принося никакой пользы.

Компания PURETi (произносится как «чистота») разработала жидкостный метод выращивания нанокристаллов высокофотоактивного диоксида титана, которые суспендированы в высоколипком и прочном растворе на водной основе. Чтобы изучить эффективность технологии, Андервуд применил решение PURETi к строительным поверхностям в Стеннисе и отслеживал любые изменения с помощью стандартной фотографии, а также технологии дистанционного зондирования, которая измеряла спектральную отражательную способность поверхностей — насколько они отражают свет.

«Фотографии не только показали, что поверхности с покрытием сохраняли чистое белое состояние, наблюдаемое при первоначальной окраске, с аналитической точки зрения, но также было продемонстрировано, что поверхности с фотокаталитическим покрытием сохраняли более высокие значения коэффициента отражения по сравнению с поверхности без покрытия», — говорит Андервуд, подразумевая, что на поверхности, обработанной фотокаталитически, скапливается меньше грязи. «Я был очень доволен результатом. Удивительно, что существует нетоксичный механизм, позволяющий поддерживать чистоту в зданиях и в то же время снижать расходы на техническое обслуживание, затраты на электроэнергию и использование агрессивных химикатов».

Благодаря участию в исследованиях Андервуда компания PURETi стала партнером НАСА по технологиям двойного назначения, сотрудничество с разделением затрат, направленное на разработку продуктов, отвечающих как НАСА, так и коммерческим потребностям.

Преимущества

Теперь PURETI предлагает ряд нетоксичных, экологически чистых коммерческих фотокаталитических составов, предназначенных для преобразования практически любой поверхности — от зданий до текстиля и стекла — в самоочищающийся очиститель воздуха. Одно распыление фотокаталитического раствора разрушает органические загрязнители, очищает поверхности от грязи и плесени и очищает окружающий воздух не менее чем на 3 года.

При нанесении на наружные поверхности, такие как фасады зданий, эти запатентованные фотокаталитические покрытия обеспечивают значительную экономию за счет снижения затрат на техническое обслуживание более чем на 50 процентов и, как правило, окупаются менее чем за 2 года. В помещении эта технология устраняет запахи и создает качество воздуха больничного класса, при этом на 85 процентов снижается количество опасных летучих органических соединений, выделяемых некоторыми красками, новой мебелью и коврами, фотокопировальными машинами и другим офисным оборудованием.

Инновация PURETI в настоящее время применяется производителями текстиля, керамогранита и мебели, и ожидается, что они будут распространяться на производство стекла, сборного железобетона и кровельных мембран. Школы, гостиницы, фабрики и даже кофейни и зоомагазины изучают возможность использования этих фотокаталитических покрытий для улучшения качества воздуха и устранения запахов. В настоящее время проводятся исследования для оценки преимуществ применения PURETi внутри животноводческих помещений; предыдущие исследования показывают, что животные, дышащие более чистым воздухом, растут быстрее при меньшем количестве пищи и меньше нуждаются в антибиотиках и стероидах. Согласно университетским исследованиям, дороги, покрытые PURETi, эффективно очищают окружающую среду.

В рамках ряда проектов также проверяются возможности решений PURETi дольше сохранять чистоту солнечных панелей, повышая их эффективность. Компания даже сотрудничала с архитектурной фирмой, чтобы превратить массивную скульптуру современного искусства под названием «Венди», выставленную в кампусе Музея современного искусства Квинс в Нью-Йорке в 2012 году, в, пожалуй, самый необычный очиститель воздуха в мире.

«Применения практически бесконечны, — говорит Глен Финкель, президент PURETi. «Нет такой поверхности, на которую мог бы попасть свет, которую PURETi не мог бы улучшить».

 

 

Хотя фотокатализ хорошо известен в Японии и Европе, миссия PURETi, по словам Финкеля, состоит в том, чтобы завоевать популярность своей уникальной версии технологии как реального решения проблем качества воздуха в Соединенных Штатах. Благодаря сотрудничеству с НАСА, PURETi получает постоянную отдачу от своих усилий. Технология компании получила множество наград, в том числе награду «Инновационный продукт года» журнала Popular Science Green Tech 2011 и награду «Материал года» от Material ConneXions. Один из клиентов компании, компания по профилактике астмы и аллергии, недавно получила одобрение Федерального управления по лекарственным средствам на медицинское устройство класса II для своего протокола, основанного на технологии PURETi, который создает в домах чистую воздушную среду больничного класса для предотвращения респираторных проблем при кистозных заболеваниях. больных фиброзом. И команда Йельского университета собирается изучить PURETi как средство усиления инфекционного контроля в сельских поликлиниках в развивающихся странах.

«Мы все любим инновации, — говорит Финкель. «Но у вас могут быть инновации только в том случае, если у кого-то хватит смелости пойти первым. Мы навсегда останемся в долгу перед НАСА за серьезное отношение к нам, за сотрудничество с нами в качестве партнера по технологиям двойного назначения. У нас есть эта технология, которая звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой. Наша задача состоит в том, чтобы повышать осведомленность достоверным образом, и сотрудничество с НАСА поддерживает наш авторитет».