Ученые использовали лазеры и частицы золота, чтобы превратить оксид титана в нанокомпозит для фотокатализаторов. Исследователи из Университета ИТМО вместе со своими коллегами из Франции и США продемонстрировали, как можно использовать фемтосекундный лазер для настройки структуры и нанокомпозитных свойств пленок диоксида титана, заполненных наночастицами золота. Статья об этом опубликована в The Journal of Physical Chemistry C.
Оксиды различных металлов часто служат фотокатализаторами в различных системах, таких как очистка воздуха, реакции разложения воды и даже при производстве самоочищающихся поверхностей для стекла и зеркал. Физико-химические свойства таких материалов могут быть улучшены путем добавления наночастиц, которые превращают обычный оксид в наноматериал с новыми возможностями. Однако для успешного выполнения нужно понимать процессы, происходящие при формировании нанокомпозита, и уметь их контролировать.
Некоторое время назад ученые и инженеры создали ряд специальных материалов, способных ускорять химические процессы при воздействии света. Это открытие имеет большое значение для промышленности, потому что их можно использовать в самых разных устройствах: от очистителей воздуха до топливных элементов. Одним из подобных перспективных материалов является диоксид титана, в который можно влить наночастицы золота для улучшения его фотокаталитических свойств.
На самом деле, изготовление таких композиционных материалов остается сложной задачей. Существуют определенные трудности с размещением наночастиц внутри оксидных пленок, и еще сложнее контролировать их размер и распределение. Международная группа исследователей, в том числе из Университета ИТМО, предложила использовать лазерное излучение для достижения этой цели.
«Если мы подвергаем такие материалы лазерному излучению, как частицы золота, так и матрицы диоксида титана вокруг них изменяют свои свойства».
Максим Сергеев, научный сотрудник ИТМО.
Исследователи из Университета ИТМО и лаборатории Хьюберта Кюриена провели эксперимент, в котором тонкие пленки пористого диоксида титана были пропитаны ионами золота, быстро образующими частицы в масштабе нескольких нанометров. Затем материал подвергался лазерному излучению. Оказалось, что при правильно выбранном фемтосекундном лазерном облучении можно эффективно контролировать рост наночастиц, не повреждая материал. Например, если лазер движется с очень низкой скоростью, вокруг недавно выращенных наночастиц в пленке диоксида титана могут образовываться полости.
Вместе с исследователями из Университета Аризоны была разработана модель для объяснения этого эффекта, которая помогла определить температурное поле в материале, когда он подвергался лазерному излучению. Модель учитывала резонансное поглощение на металлических частицах, усиление локального поля, фотоиндуцированную генерацию несвязанных электронов и фотоэмиссию. Оказалось, что материал нагревается сильнее, когда в нем содержатся как более мелкие, так и более крупные частицы, хотя его температура все еще недостаточно высока, чтобы расплавить или разрушить материал для правильно выбранных параметров лазера.
В результате экспериментов и моделирования исследователи теперь могут лучше понять механизмы формирования нанокомпозитных пленок и получить больше возможностей для управления их свойствами. Использование лазеров для этих целей упростит производство таких «позолоченных» пленок диоксида титана, что облегчит их применение в промышленности. Однако сейчас технология еще совсем не готова для производства больших масштабах, и проводятся дополнительные исследования.
Читайте также:
Исследование: коронавирус выживает вне зависимости от температуры воздуха и широты.
НАСА показала самое подробное изображение древних рек на Марсе.