Фотокаталитическое окисление оксидов азота

Оксиды азота (обозначаются как NOₓ, где x указывает на число атомов кислорода) — группа газообразных соединений азота с кислородом, среди которых оксид азота (NO), диоксид азота (NO₂) и закись азота (N₂O). Оксид азота представляет собой бесцветный газ без запаха, диоксид азота — бурый газ с резким раздражающим запахом, а закись азота, известная как «веселящий газ», обладает сладковатым привкусом.

Основные источники выбросов оксидов азота включают как природные, так и антропогенные факторы. В атмосферу эти соединения попадают при сжигании ископаемого топлива — угля, нефти и природного газа — на теплоэлектроцентралях, в автомобильных двигателях и промышленных установках. Существенный вклад вносит производство азотных удобрений, нитратов, азотной кислоты, вискозного волокна и взрывчатых веществ. В сельском хозяйстве оксиды азота образуются в результате деятельности почвенных бактерий. К природным источникам относятся грозовые разряды, извержения вулканов и лесные пожары.

Экологические последствия выбросов оксидов азота весьма серьёзны. В атмосфере NOₓ вступают в реакции с образованием азотной и азотистой кислот, что приводит к возникновению кислотных дождей. В присутствии солнечного света эти соединения участвуют в формировании фотохимического смога, порождая высокотоксичные вещества и озон в тропосфере. Повышенные концентрации диоксида азота напрямую связаны с ростом заболеваемости астмой, хронической обструктивной болезнью лёгких (ХОБЛ), а также сердечно-сосудистыми и онкологическими заболеваниями.

Фотокаталитическая очистка — перспективный метод нейтрализации NOₓ. В его основе — использование диоксида титана (TiO₂) в качестве катализатора под действием УФ-А-излучения (300–400 нм). Механизм окисления оксидов азота включает стадии NO → HNO₂ → NO₂ → HNO₃ с участием радикала ^•OH.

В работе [1] было показано, что комбинирование диоксида титана с активированным углём и оксидом железа Fe₂O₃ значительно увеличивает активность фотокатализатора. Механизм фотоокисления монооксида азота заключается во взаимодействии адсорбированного NO с активными кислородными частицами (^•O, HO₂^•, O⁻), генерированными в результате фотоактивации TiO₂, с образованием NO₂. 

Дальнейшая реакция NO₂ с частицами ^•OH и ^•O приводит к образованию азотной кислоты [2]. Образующаяся кислота HNO₃ остаётся на поверхности TiO₂, что вызывает дезактивацию катализатора. Катализатор может быть реактивирован промывкой водой. Сочетание диоксида титана с цеолитом типа A или Y позволяет увеличить эффективность удаления оксидов азота из воздуха благодаря повышению адсорбции загрязнителя и десорбции окисленных продуктов, однако скорость реакции фотоокисления остаётся неизменной [3].

1. T. Ibusuki, K. Takeuchi, Removal of low concentration nitrogen oxides through photoassisted heterogeneous catalysis, Journal of Molecular Catalysis, 88 (1994) 93–102.

2. S. Devahasdin, Ch. Fan, K. Li, D. H. Chen, TiO₂ photocatalytic oxidation of nitric oxide: transient behavior and reaction kinetics, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 156 (2003) 161–170.

3. K. Hashimoto, K. Wasada, M. Osaki, E. Shono, K. Adachi, N. Toukai, H. Kominami, Y. Kera, Photocatalytic oxidation of nitrogen oxide over titania—zeolite composite catalyst to remove nitrogen oxides in the atmosphere, Applied Catalysis B: Environmental 30 (2001) 429–436.