Preparation of nanocomposites based on exfoliated organic-inorganic derivatives of layered double hydroxides and layered perovskite-like oxides

Abstract

Использование солнечной энергии сегодня - одна из главных задач в сфере энергетики, особенно в контексте развития фотовольтаики и фотокатализа. Переход к конверсии солнечного излучения становится альтернативой для решения экологических проблем, связанных с использованием традиционных источников энергии на основе органического топлива. Это включает повышение эффективности солнечных батарей и использование солнечной энергии в фотокаталитических процессах, например, разложении воды или органических отходов для производства экологически чистого топлива, такого как водород. Однако существует проблема поиска материалов с необходимыми электрофизическими свойствами для обеих этих направлений. В частности, фотокатализ требует гетерогенных катализаторов с определенными физико-химическими характеристиками.

Один из подходов к созданию эффективных фотокатализаторов заключается в использовании композитных материалов на основе различных типов полупроводников и/или металлических частиц. В последнее время активное внимание исследователей привлекают нанокомпозиты. Они могут эффективно решать проблемы, с которыми сталкиваются обычные монофазные фотокатализаторы, включая фотосенсибилизацию в видимом спектре, разделение носителей заряда и увеличение активной поверхности.

Двумерные материалы, такие как нанослои и ультратонкие пленки, привлекают особое внимание в последние годы. Они часто обладают лучшими электрическими, оптическими, каталитическими и механическими свойствами по сравнению с трехмерными аналогами.

В настоящее время, среди других альтернатив, активно исследуются слоистые перовскитоподобные оксиды (СППО) и слоистые двойные гидроксиды (СДГ). Оба класса соединений обладают уникальными свойствами, такими как возможность замещения и интеркаляции межслоевых ионов, что может привести к расщеплению слоистых соединений на нанослои. Это открывает путь к созданию нанокомпозитов методом электростатической самосборки в растворе.

Помимо этого, разработка процессов получения нанокомпозитов в неполярных средах также представляет интерес. Этот подход может принести значительные преимущества в улучшении процесса самосборки и повышении уровня упорядоченности. Однако, достижение этих целей требует дальнейших исследований и разработок в области стабилизации и эксфолиации нанослоев.

Using solar radiation is a key challenge in modern energy production, particularly in photovoltaics and photocatalysis. Converting solar energy offers an alternative solution to existing environmental issues associated with organic fuel use. This includes enhancing the efficiency of solar panels and harnessing solar energy in photocatalytic processes like water or organic waste decomposition to produce environmentally friendly fuel such as hydrogen. However, finding materials with suitable electro-physical properties for both directions remains a major challenge. Notably, heterogeneous photocatalysts require specific physicochemical properties.

One approach to achieving efficient photocatalysis involves creating composite materials based on various types of semiconductors and/or metallic particles. In recent years, researchers have prioritized working on nanocomposites, which in some cases effectively address issues faced by conventional monophase photocatalysts, including sensitization in the visible spectrum, charge carrier separation, and increasing the active surface area.

Two-dimensional materials such as nanosheets and ultrathin films have been actively studied. Often, they exhibit superior electrical, optical, catalytic, and mechanical properties compared to their three-dimensional counterparts.

Currently, among other alternatives, layered perovskite-like oxides (LPOs) and layered double hydroxides (LDHs) are actively researched in both photocatalyst development and two-dimensional nanomaterials. Both classes of compounds possess unique properties, such as the ability to substitute and intercalate interlayer ions, which can result in the exfoliation of layered compounds into nanosheets. This opens the path to creating nanocomposites through electrostatic self-assembly in solution.

Furthermore, the development of processes for obtaining nanocomposites in non-polar media is of interest. This approach may offer significant advantages in improving self-assembly processes and increasing orderliness. However, achieving these goals requires further research and development in stabilizing and exfoliating nanosheets.

Overall, this work addresses these challenges for a limited set of LPOs and LDHs.