Застосування плазмо-електролітних покриттів на титані з тугоплавкими металами для детоксикації середовищ від забруднювальних речовин техногенного походження

Abstract

На основі проведеного огляду особливостей перебігу фотокаталітичних процесів визначено особливості каталітичної дії оксидних систем на основі діоксиду титану. Показано, що TiO2 є одним із найбільш хімічно і термічно стабільних і нетоксичних неорганічних оксидів напівпровідників, фотокаталітична активність якого проявляється при опроміненні ультрафіолетовою частиною спектру (λ320–400 нм) та дозволяє окиснювати значну кількість токсичнх агентів до води та вуглекислого газу. Розглянуто сутність фотокаталітичного процесу окиснення токсикантів під дією УФ-випромінювання на поверхні TiO2. Запропонована технологія фотокаталітичної детоксикації забруднювальних агентів є економічно доступною, екологічно чистою і дає можливість її широкого розповсюдження, зокрема для автономних систем, у т.ч. подвійного призначення. Встановлено, що основними вимогами до матеріалів для фотокаталізу є їхня хімічна та біологічна інертність, фотокаталітична стабільність та активність, невисока собівартість. Показано, що найбільш раціональною технологічною формою фотокаталізатора є нанесення (синтез) каталітичного шару на структурованих металевих підкладках, зокрема сплавах титану. Доведено, що ефективно формувати означені каталітичні оксидні системи можна методом плазмо-електролітного оксидування у водних електролітах з додаванням сполук металів-допантів, що підвищують фотокаталітичну активність одержаних гетерооксидних систем. Як цільовий допант запропоновано використовувати оксиди вольфраму змінної валентності. Досліджено кінетичні закономірності процесу плазмоелектролітного оксидування титану ВТ1-0 у дифосфатно-боратному електроліті із додаванням вольфраматів. Показано, що в електроліті цього типу за густини струму 1,0 А/дм2 в гальваностатичному режимі протягом 30 хв формується рівномірне покриття TiO2·WxOy із трубчастою тороподібною структурою та вмістом вольфраму 2,5–7,5 мас.%. Прогнозований кількісний склад гетерооксидного шару у сукупності із морфологією поверхні створюють передумови високої каталітичної активності синтезованого покриття для детоксикації середовищ від забруднювальних речовин техногенного походження.

Based on the review of the peculiarities of the photocatalytic processes, the peculiarities of the catalytic action of oxide systems based on titanium dioxide are determined. It isshown that TiO2is one of the most chemically and thermally stable and non-toxic inorganic oxides of semiconductors, whose photocatalytic activity is manifested byirradiation with ultraviolet part of the spectrum (λ320–400 nm) and allows the oxidation of a significant amount of toxic agents to water and carbon dioxide. The essence of the photocatalytic process of oxidation of toxicants under the action of UV radiation on the TiO2 surface is considered. The proposed technology of photocatalytic detoxification of contaminants is economically available, environmentally friendly and allows its widespread use, in particular for autonomous systems, including dual purpose. It isestablished that the main requirements for materials for photocatalysis are their chemical and biological inertness, photocatalytic stability and activity, low cost. It is shown that the most rational technological form of the photocatalyst is the application (synthesis) of the catalytic layer on structured metal substrates, in particular titanium alloys. It is proved that these catalytic oxide systems can be effectively formed by the method of plasma-electrolyte oxidation in aqueous electrolytes with the addition of dopant metal compounds that increase the photocatalytic activity of the obtained heterooxide systems. It is proposed to use tungsten oxides of variable valence as the target additive.The kinetic regularities of the process of plasma-electrolytic oxidation of titanium VT1-0 in a diphosphate-borate electrolyte with the addition of tungstates have been studied. It is shown that in anelectrolyte of this type ata current density of 1.0 A/dm2 in the galvanostatic mode for 30 min a uniform coating of TiO2·WxOy with a tubular torus-like structure and tungsten content of 2.5–7.5 wt.% is formed. The predicted quantitative composition of the heteroxide layer in combination with the surface morphology creates the preconditions for high catalytic activityof the synthesized coating for detoxification of media from anthropogenic pollutants.