Фотокаталитическое окисления угарного газа

Фотокаталитическое окисление угарного газа (CO) на диоксиде титана (TiO₂) представляет собой не только модельную реакцию для изучения механизмов гетерогенного фотокатализа, но и перспективное решение для экологически чистой очистки воздуха. Угарный газ — токсичный продукт неполного сгорания топлива, широко распространённый в городской среде, особенно в закрытых и слабо вентилируемых пространствах. Его фотокаталитическое превращение в диоксид углерода (CO₂) при комнатной температуре и под действием света открывает возможности для энергоэффективных систем очистки воздуха в помещениях, тоннелях, транспорте и промышленных объектах. Особое значение имеет роль адсорбированного кислорода, а также влияние модифицирующих компонентов, таких как платина, на активность и стабильность катализатора. Изучение этих факторов позволяет разрабатывать высокоэффективные фотокаталитические системы, способные работать как под ультрафиолетовым, так и под видимым светом, что делает их пригодными для реальных условий эксплуатации.

Стадия диссоциации кислорода лимитирует скорость всего процесса окисления угарного газа, а частицы О⁻(адс) и О₃⁻(адс) являются наиболее реакционноспособными окислительными частицами [1]. В реакции окисления участвует кислород, адсорбированный на анионных вакансиях диоксида титана [2], в то время как решёточный кислород неактивен в окислении CO [3]. В работе [4] было показано, что нанесение частиц платины на поверхность монокристалла TiO₂ (110) уменьшает количество активных центров в фотоокислении CO, что приводит к снижению скорости реакции. Однако недавние исследования [5] продемонстрировали, что при определённых условиях обработки фотокатализатора, модифицированного платиной, возникает сильное взаимодействие металл—носитель (SMSI), способствующее миграции фотогенерированных электронов с TiO₂ на платину. Это, в свою очередь, увеличивает эффективность разделения зарядов и повышает каталитическую активность в окислении CO. Кроме того, платина стабилизирует активные формы кислорода, время жизни которых может достигать нескольких минут. Более слабые окислители, такие как N₂O и H₂O, не способны фотокаталитически окислять CO. В отличие от других фотокаталитических процессов, гидроксильный радикал (·OH) не играет существенной роли в окислении CO [6]. В работе [7] представлены результаты по окислению CO на Pt/TiO₂ (рутил) с высокой удельной поверхностью под действием видимого света, что подтверждает потенциал таких систем для применения вне ультрафиолетовой области спектра.

Список литературы

[1] S. Sato, T. Kadowaki, Photocatalytic activities of metal oxide semiconductors for oxygen isotope exchange and oxidation reactions, Journal of Catalysis, 106 (1987) 295–300. 

[2] Л. В. Ляшенко, Я. Б. Гороховатский, Фотокаталитическое окисление окиси углерода на оксидах металлов, Теоретическая и экспериментальная химия, 10 (1974) 186–192. 

[3] A. Linsebigler, G. Lu, J. T. Yates, CO photooxidation on TiO₂ (110), Journal of Physical Chemistry, 100 (1996) 6631–6636. 

[4] A. Linsebigler, C. Rusu, J. T. Yates, Absence of platinum enhancement of a photoreaction on TiO₂ — CO photooxidation on Pt/TiO₂ (110), Journal of the American Chemical Society, 118 (1996) 5284–5289. 

[5] Q. Li, K. Wang, Sh. Zhang, M. Zhang, J. Yang, Zh. Jin, Effect of photocatalytic activity of CO oxidation on Pt/TiO₂ by strong interaction between Pt and TiO₂ under oxidizing atmosphere, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 258 (2006) 83–88. 

[6] S. Hwang, M. Ch. Lee, W. Choi, Highly enhanced photocatalytic oxidation of CO on titania deposited with Pt nanoparticles: kinetics and mechanism, Applied Catalysis B: Environmental, 46 (2003) 49–63. 

[7] F. Bosc, A. Ayral, N. Keller, V. Keller, Room temperature visible light oxidation of CO by high surface area rutile TiO₂-supported metal photocatalyst, Applied Catalysis B: Environmental, 69 (2007) 133–137.