ФОТОКАТАЛІТИЧНО АКТИВНІ ШАРУВАТІ ПЕРОВСКІТОПОДІБНІ ОКСИДИ РЗЕ І ПЕРЕХІДНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Світове споживання енергії постійно збільшується з ростом населення і промисловості, що вимагає в перспективі зростання обсягів використання поновлюваних джерел енергії. Тому пошук економічно ефективних і екологічно безпечних поновлюваних джерел енергії є актуальним завданням як з наукової, так і з технологічної точки зору і є одним з пріоритетних напрямів наукових досліджень і розробок у майбутньому.
Наноструктуровані частинки напівпровідників в останні кілька десятиліть привертають значну увагу у зв’язку з можливістю їх застосування як функціональних компонентів у різних процесах взаємного перетворення різних форм енергії, зокрема як фотокаталізаторів окисно-відновних реакцій. Особливе значення набувають просторово впорядковані фотоактивні напівпровідники, зокрема шаруваті перовскітоподібні оксиди, оксиди перехідних металів у вигляді нанотрубок, наностержнів, нановолокон, в яких завдяки особливостям їх мікроструктури та морфології можливе ефективніше розділення фотогенерованих зарядів, що і обумовлює іх підвищену активність в фотокаталітичних процесах у порівнянні із звичайними об’єктами близької хімічної природи.
Встановлено, що композиційні системи на основі TiO2 виявляють напівпровідникові властивості і здатність за рахунок внутрішнього фотоефекту двома способами 1) або на поверхні електродів чи 2) у суспензійному виді здійснювати фотокаталітичне розкладання води та розкладання органічних речовин у розчинах (чи газоподібних середовищах) і їх очищення у ході окисно-відновних перетворень.
Методом високотемпературного твердофазного синтезу можна одержати тільки оксиди, утворення яких термодинамічно вигідно при даній температурі. Синтезувати багато шаруватих оксидів допомагають іонообмінні реакції та використання молекулярних і кординаційних прекурсорів, в тому числі й на основі нітратів із застосуванням методів ″м’якої хімії " (soft processing).
Авторами вивчаються можливості формування шаруватих перовскітоподібних оксидів, які відносяться до фаз Раддлесдена-Поппера (A2Ln2Ti3O10 і ANdTiO4, де A – H, Li, Na, K; Ln – La, Nd) та Діона-Якобсона (ANdTa2O7, де A – H, Li, Na, K, Rb, Cs і ANdNb2O7, где A – Rb, Cs), з використанням нітратних координаційних РЗЕ-вмісних прекурсорів, синтез яких на сьогодні є надзвичайно актуальною задачою, як у науковому, так і у прикладному відношенні.
У роботі вивчається фотокаталітична активність зразків у взаємозв’язку з їх складом, природою компонентів, способом й умовами одержання, структурою, характером взаємодії з водою за результатами існуючих сучасних наукових відомостей [зокрема 1–3, 4] та низки виявлених авторами особливостей й закономірностей у поведінці структурних елементів-складових багатокомпонентних систем [5–5] на різних стадіях підготовчих процесів, у різних агрегатних станах, широких концентраційних та температурних діапазонах, у ході формування таких шаруватих складнооксидних досліджуваних об’єктів.
З’ясовано, що в ряду титанатів A2Ln2Ti3O10 максимальну фотокаталітичну активність проявляють сполуки, для яких характерна інтеркаляція води у міжшаровий простір – Na2Ln2Ti3O10, H2Ln2Ti3O10. Виявлено, що титанати натрію, калію, рубідію (A – Na, K, Rb) при контакті з водою схильні частково заміщувати катіони лужних металів на протони, що не спостерігається для літієвих сполук.
Встановлено, що зразки Na2Nd2Ti3O10 проявляють більшу активність, ніж його лантаноїд-вмісні аналоги.
Калієві оксиди у водному середовищі виявляють будову аналогічну моногідратам K2Ln2Ti3O10∙yH2O, що утворюються на повітрі.
Ніобати RbNdNb2O7, CsNdNb2O7 виявляють високу каталітичну активність при відсутності інтеркаляції води і стійкості до іонного обміну у водному середовищі.
Інтеркаляція молекул води у міжшаровий простір перовскітоподібних оксидів дозволяє висунути гіпотезу, що фотореакція може відбуватися не лише на поверхні каталізатора, а і в середині – між шарами. Відмінності у питомій площі поверхні досліджуваних шаруватих оксидів пояснюється відмінностями в морфології складових частинок.
Авторами встановлюються кореляційні зв’язки між особливостями, тенденціями процесів структуротворення складовими системи нітратних прекурсорів, розміром Li+ – Cs+, можливістю Ln3+ церієвої підгрупи лише у натрієвих системах утворювати ланцюгові структури із координаційних поліедрів, морфологією структурних компонентів і характерними властивостями цільових продуктів перероблення – ступенем інтеркаляції (утримання) молекул води у міжшаровому просторі, збільшенням площі і каталітичної активності «ефективної поверхні» досліджуваних шаруватих оксидних структур, шириною забороненої зони.
Одержані відомості визначають напрями пошуку способів синтезу монофазних зразків шаруватих складнооксидних поліфункціональних матеріалів, покращення їх функціональних характеристик, відтворюваності і стабільності.

Список використаних інформаційних джерел
1. Зверева И.А. Механизм образования перовскитоподобного слоистого оксида Na2Nd2Ti3O10 / И.А. Зверева, А.М. Санкович, А.Б. Миссюль и др. // Физика и химия стекла. – 2010. – Т. 36. – № 2. – С. 261¬–269.
2. Зверева И.А. Термическая устойчивость слоистых перовскитоподобных оксидов NaNdTiO4 и Na2Nd2Ti3O10 / И.А. Зверева, А.М. Санкович, А.Б. Миссюль // Журнал общей химии. – 2010. – Т. 80. – №7. – С. 1076–1082.
3. Родионов И. А. Исследование фотокаталитической активности слоистых оксидов ALnTiO4 (A = Na, Li, H) / И.А. Родионов, О.И. Силюков, И.А. Зверева // Журнал общей химии. – 2012. – № 4. – С. 548–555.
4. Solution Combustion Synthesis of Nanoscale Materials / Arvind Varma, Alexander S. Mukasyan, Alexander S. Rogachev and Khachatur V. Manukyan // American Chemical Society. Chem. Rev. – 2016. – Vol. 116. – Р. 14493-14586.
5. Дрючко О.Г. Використання закономірностей комплексоутворення РЗЕ у нітратних системах при синтезі функціональних матеріалів на їх основі / О.Г.Дрючко, Д.О. Стороженко, Н.В.Бунякіна, І.О.Іваницька, В.І.Омелян // Журнал «Нові технології», (Науковий вісник КУЕІ Т і У) – 2006. – Т. 12. –№2. – С.124–131.
6. Storozhenko D.O. Phase Formation in REE-Containing Water-Salt Systems at the Preparatory Stages of the Multicomponent Oxide Functional Materials Formation / D.O. Storozhenko, O.G. Dryuchko, N.V. Bunyakina et al. // Innovations in Corrosion and Materials Science. – 2015. – Vol. 5. – No. 2. – P. 80–84.
7. Дрючко О.Г. Хімічна взаємодія і фазоутворення у нітратних водно-сольових системах рідкоземельних елементів і літію / О.Г. Дрючко, Д.О. Стороженко, Н.В. Бунякіна та ін. // Вісник НТУ «ХПІ». – 2015. – № 52 (1094). – С. 29–35.
8. Дрючко О.Г. Особливості перетворень у РЗЕ-вмісних системах нітратних прекурсорів у підготовчих процесах формування перовскітоподібних оксидних матеріалів. / О.Г. Дрючко, Д.О. Стороженко, Н.В. Бунякіна та ін. // Вісник НТУ «ХПІ». – 2016. – № 22 (1194). – С. 63–71.