Самоочищающиеся окна и дома, или Как фотокатализ изменит будущее

Марина Кричевская. Фото: TEDxLasnamäe

Все в нашей жизни стремится к автономной работе: умные дома уже существуют, многие приборы можно настроить автоматически: осталось только, чтобы дом и очищался сам. Но даже тут будущее подступает все ближе: в виде процесса под названием фотокатализ, о котором рассказала доктор технических наук и спикер TEDxLasnamäe Марина Кричевская.

(Rus.Postimees приводит печатную версию речи)

Я очень рада возможности поговорить с широкой аудиторией о науке и технологии. Мы в университетах привыкли пользоваться специфической терминологией, а сегодня я попробую рассказать о том, чем мы занимаемся, непрофессионалам в моей области, то есть нормальным людям. Это для меня оказалось очень сложно - выйти из зоны комфорта и почти отказаться от "правильных" терминов. Полностью отказаться, кстати, мне не удалось.

О чем я буду говорить?

Я буду говорить о фотокатализе - технологии, которая все еще стоит на пороге ее широкого применения. То есть дверь в большой мир только приоткрыта. И это несмотря на то, что люди занимаются этим уже несколько десятилетий.

Представьте себе дом, в котором вам не надо мыть окна, а если вы живете в небоскребе, покрытом стеклом, то и стены, потому что они самоочищающиеся, а заодно чистят и воздух вокруг. Единственные условия - чтобы на окна время от времени попадал солнечный свет и шел дождь.

Например, на слайде стекло светильников в автомобильном тоннеле справа покрыто умным материалом, а слева - без покрытия. Это в Японии тестировали покрытия и вот видна разница: светильник слева явно требует, чтобы его помыли, а тот, что справа, вполне пропускает свет.

Это не магия, а реальная технология. Сейчас я расскажу вам, как она работает, и почему когда-нибудь мы будем жить в самоочищающихся городах, а еще лучше - просто в чистых городах, где нет вредных выхлопных газов.

О чем же я говорю, что такое фотокатализ? Фото означает свет, катализ - использование катализатора, материала, который ускоряет процесс, при этом сам не расходуется. То есть необходим свет, обычно это мягкий ультрафиолет, имеющийся в солнечном спектре и материал - полупроводник вроде диоксида титана. На светильнике в тоннеле на стекле как раз пленка диоксида титана. Это белый пигмент, который широко используется в промышленности, в том числе, и в косметике, вы его найдете и в составе солнцезащитных кремов и, например, в помаде.

Из курса физики кто-то возможно помнит, при этом я понимаю, что большей части людей это помнить совершенно ни к чему: в полупроводнике можно схематически нарисовать три зоны - валентная (внизу), запрещенная (посередине) и зона проводимости (наверху).

Когда свет с определенной энергией попадает на полупроводниковый фотокатализатор, в нем начинают движение электроны и образуются положительно заряженные дырки. 

Эти носители заряда, в свою очередь, реагируют с водой и кислородом воздуха, образуя крайне активные частицы - радикалы - которые могут порвать или, точнее, разложить любые органические молекулы. 

А в отсутствии кислорода на таком материале под действием солнечного света можно получить водород - топливо будущего. То есть эта технология может помочь нам трансформировать солнечную энергию в химическую. И что с этим делать, где это можно использовать?

На данный момент существуют три направления, где фотокатализ можно использовать уже сейчас или он будет использоваться в будущем: первое - очистка воды и воздуха, второе - самоочищающиеся покрытия и третье - синтез водорода из воды. На первый взгляд, совершенно разные процессы, но всё они фотокатализ в действии. 

Как фотокатализ помогает очистить воду и воздух? Образующиеся радикалы реагируют с органическими загрязнителями в воде или воздухе, разлагают их, а продукты полного разложения - это углекислый газ и вода. При этом в воздухе, например, происходит еще и дезинфекция. То есть на поверхности катализатора под действием света не только разрушаются органические молекулы, но и гибнут клетки вредных микроорганизмов, которые вполне выживают только под действием ультрафиолетового света, приходящего вместе с солнечными лучами.

А что касается очистки воды, то фотокатализ относится к группе методов, которые называются глубокими окислительными процессами. И эти методы с фотокатализом в том числе могут убрать из воды микрозагрязнители, которые невозможно удалить из воды биологической очисткой. Мы едим антибиотики, животные, которых мы едим, тоже едят антибиотики, мы контролируем свою рождаемость, и всё, что мы едим, не усваивается полностью, а попадает в канализацию ну и далее через очистительные сооружения - в окружающую среду, в море. Когда-нибудь, я думаю, в ближайшем будущем наше государство или Европейский союз потребуют удалять и микрозагрязнители из воды, тогда возникнет необходимость использовать и глубокие окислительные процессы.

И хотя пока таких законов нет, ученые изучают возможности, как оптимизировать технологии. Например, в технологии очистки воды были найдены способы, как оптимизировать реакторы именно для фотокаталитической очистки воды, например, использование пленочных реакторов, активно изучаемых в Испании. Или использование реактора взвешенного слоя с катализатором, нанесенным на гранулы керамзита - метод, разработанный нашей научной группой в Таллиннском техническом университете. То, что мы видим, - это перемешивание загрязненной воды воздухом, и керамзит со слоем катализатора образует так называемый взвешенный слой, то есть не садится на дно, но и не всплывает на поверхность.

И если использование фотокатализа для очистки воды имеет ряд серьезных ограничений: а) необходимо, чтобы вода была бы достаточно прозрачной, чтобы свет мог бы проходить через слой воды б) если катализатор используется в виде порошка, то его надо отделять, что может быть энергоемким, то для очистки воздуха возможностей больше, а ограничений меньше. Воздухоочистители с использованием технологии фотокатализа уже довольно широко производятся в мире, их производят и в США, и в Японии, в Европе и в Китае. Это зачастую известные широкой публике марки, но не будем заниматься рекламой.

Перейдем от окружающей среды к умным строительным материалам. Как тут работает фотокатализ?

Самоочищающиеся поверхности, например, стекла — это вторая привлекательная область применения фотокатализа. Тонкая пленка, например, того же диоксида титана, прозрачна и не видна глазу. На таком стекле разлагаются органические молекулы по тому же радикальному принципу, то есть очищается и поверхность, и воздух вблизи поверхности. Это с одной стороны. А с другой стороны, такие покрытия обладают супергидрофильными свойствами, то есть вода не образует капель на поверхности стекла, а стекает пленкой, вымывая грязь, ну и при этом стекло не запотевает. Как пример использования - не запотевающие фотокаталитические покрытия на зеркалах автомобиля. Я пока не слышала о массовом производстве, но исследования в этой области проводят давно.

Такие пленки на стекле разрабатывают разные лаборатории мира, в то числе и в Таллиннском техническом университете в лаборатории химических пленочных технологий под руководством доктора Илоны Оя-Ацик. Ученые-материаловеды синтезируют пленки и изучают свойства материалов, а чтобы оценить активность материала - приносят нам инженерам-технологам, и мы с помощью уникального реактора, который позволяет тестировать совершенно разные покрытия, можем сравнить разные материалы, оценить их активность.

Такие покрытия выпускаются и на коммерческой основе. Функциональное или умное стекло, конечно, дороже обычных материалов, используемых в строительстве, но зато оно может оказаться более выгодным в ходе эксплуатации готовых объектов. Например, в Сингапуре самоочищающиеся покрытия сокращают эксплуатационные расходы небоскребов, поскольку мыть здания можно реже, а одна мойка стоит от 10 до 40 тысяч долларов, в зависимости от размеров, плюс экономия воды.

Я перейду к третьему применению - синтезу водорода.

Третьей глобальной и пока ещё потенциальной областью применения фотокатализа является синтез водорода. А водород, это прежде всего топливо. Зеленое топливо. Топливо, которое мы можем получать из воды и при сгорании такого топлива образуется вода. Это не фоссильное топливо, которого все ждут, где вода - восстанавливаемый и неисчерпаемый ресурс. 

И да, водород действительно можно получить, используя только энергию солнечного излучения и катализатор, при комнатной температуре, никакого дополнительного электричества. Один момент, что выход водорода, на имеющихся материалах пока невелик, то есть водорода мало и получается он медленно.

То есть широкое применение этой технологии ограничено активностью материалов-фотокатализаторов. Чтобы двигаться дальше, эффективность процесса должна стать выше, а это в первую очередь означает, что необходимо синтезировать гораздо более активные материалы. 

Эти задачи стоят сейчас перед учеными-материаловедами.

Мы с моей коллегой и другом, доктором Анной Моисеев, опубликовали статью, в которой искали связь между активностью фотокатализатора, то есть между его свойствами, и строением. И нашли очень интересные закономерности, позволяющие предположить, как должен выглядеть идеальный материал, как в нем должны распределяться дефекты. Во всем мире ученые ищут связь между строением материала и его фотокаталитической активностью. Наш взгляд и подтвержденные гипотезы отличались тем, что мы смотрели издалека, из макромира. 

Обычно ученые придумывают и слегка видоизменяют разные способы синтеза, то есть синтезируют и потом изучают, что получилось. Мы попробовали найти глобальные закономерности, нам удалось обобщить знания и предсказать, как должен выглядеть идеальный материал. Осталось только специалистам придумать, как же его синтезировать. Есть цель, но пока непонятно, как до нее добраться.

Мы смотрели на материал с точки зрения макромира технологов, а материаловеды живут в микромире, я бы даже сказала в наномире, и я предполагаю, что способ, как синтезировать суперактивные материалы, будет обязательно найден. В изучении электричества, от Лейденской банки (1745 год) до первых, например, лампочек накаливания в 1890-1900 гг, прошло более 100 лет. Фундаментальная наука требует времени и накопления знаний.

И когда ученые научатся синтезировать правильные материалы - стены домов будут очищать воздух под действием солнца, если будет такая необходимость, конечно, потому что машины будут ездить на водороде, полученном из воды, который при сгорании опять образует воду, а водяной пар из выхлопной трубы нельзя назвать загрязнителем.

Rus.Postimees совместно с TEDxLasnamäe публикует видео-речи с конференции TEDxLasnamäe, которая прошла 6 апреля 2019 года.