Деградация молекулярных газов на пористых композиционных наноструктурах CNPs/CuO

   Цель. Исследование электрокаталитической активности пористых композиционных нанопленок CNPs/CuO, обусловливающей деградацию молекулярных газов.

   Методы исследования включали использование специально разработанной экспериментальной установки, состоящей из стеклянной камеры с замкнутым циклом продувки воздуха, нагнетателя для создания постоянного воздушного потока, а также воздушного фильтра с композиционными электрокаталитическими нанопленками. В ходе эксперимента в камеру капельным методом вносились изопропиловый спирт и бутилацетат. Пары этих веществ, испаряясь под действием воздушного потока, проходили через композитный фильтр. Эффективность деградации летучих органических соединений фиксировалась в реальном времени с помощью газового сенсора, а в отдельных сериях опытов дополнительно проводился ИК-Фурье-спектральный анализ для более подробного изучения процессов, протекающих в системе.

   Результаты исследования демонстрируют высокую эффективность электрокаталитического разложения летучих органических соединений на композиционных покрытиях CNPs/CuO. Приложенная электрическая напряженность инициирует образование электрон-дырочных пар, которые, взаимодействуя с молекулами воды и кислорода, генерируют активные формы кислорода (•OH, O₂^- ), обеспечивающие полную минерализацию изопропилового спирта и бутилацетата до CO₂ и H₂O. С помощью ИК-Фурье-спектроскопии зафиксировано отсутствие характеристических полос поглощения исходных соединений и появление сигналов продуктов реакции.

   Заключение. Согласно результатам ИК-Фурье-спектроскопии, прохождение высокомолекулярных газов, таких как изопропиловый спирт и бутилацетат, сквозь воздушный фильтр с композиционными пленками CNPs/CuO с приложенным электрическим напряжением (9В, 17В), приводит к их полному разложению на CO₂ и H₂O за счет электрокаталитических процессов, протекающих на поверхности синтезированных пленок.

1. Dissecting the interfaces of MOF-coated CdS on synergized charge transfer for enhanced photocatalytic CO₂ reduction / Q. Mu, Y. Su, Z. Wei, H. Sun, Y. Lian, Y. Dong [et al.] // Journal of Catalysis. 2021. Vol. 397. P. 128-136. doi: 10.1016/j.jcat.2021.03.018.

2. Nanocomposites of Сarbon nanotube (CNTs)/CuO with high sensitivity to organic volatiles at room temperature / J. Zheng, Q. Zhang, X. He, M. Gao, X. Ma, G. Li // Procedia Engineering. 2012. Vol. 36. P. 235-245. doi: 10.1016/j.proeng.2012.03.036.

3. Synthesis of TiO₂-CuO graphene oxide hybrid bionanocomposite with enhanced antibacterial and organic dye degradation activities / B.A. Omran, M.O. Abdel-Salam, Farghal H.H., M.M.H. El-Sayed, K.H. Baek // Materials Advances. 2025. Vol. 6, no. 8. P. 2654-2676. doi: 10.1039/D5MA00031A.

4. Unveiling the photocatalytic property of La₂O₃–CuO nanocomposites for organic pollutants in wastewater treatment / S. Karthikeyan, K. Dhanakodi, S. Surendhiran, K. Vanasundari, L. Arunraja, A.T. Rajamanickam // Journal of the Indian Chemical Society. 2023. Vol. 100, no. 11. P. 101104. doi: 10.1016/j.jics.2023.101104.

5. Surface plasmon resonance enhanced visible-light-driven photocatalytic activity in Cu nanoparticles covered Cu₂O microspheres for degrading organic pollutants / Y. Cheng, Y. Lin, J. Xu, J. He, T. Wang, G. Yu [et al.] // Applied Surface Science. 2016. Vol. 366. P. 120-128. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.12.238/.

6. Graphene-assisted CuO nanoparticles enhanced the photocatalytic degradation of methylene blue under visible light: performance and electron transfer mechanisms / B.S. Navya, L. Chen, T.-B. Nguyen, M. Arshad, C.-W. Chen, C.-D. Dong // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2025. P. 106280. doi: 10.1016/j.jtice.2025.106280.

7. Constructing a system for effective utilization of photogenerated electrons and holes: photocatalytic selective transformation of aromatic alcohols to aromatic aldehydes and hydrogen evolution over Zn₃In₂S₆ photocatalysts / X. Ye, Y. Chen, Y. Wu, X. Zhang, X. Wang, S. Chen // Applied Catalysis B: Environmental. 2019. Vol. 242. P. 302-311. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.10.004.

8. Carbon quantum dots decorated CuS nanocomposite for effective degradation of methylene blue and antibacterial performance / X. Wang, L. Li, Z. Fu, F. Cui // Journal of Molecular Liquids. 2018. Vol. 268. P. 578-586. doi: 10.1016/j.molliq.2018.07.086.

9. Khan M.E. State-of-the-art developments in carbon-based metal nanocomposites as a catalyst: photocatalysis // Nanoscale Advances. 2021. Vol. 3, no. 7. P. 1887-1900. doi: 10.1039/D1NA00041A.

10. In situ assembled GO/TiO₂ and GO/TiO₂/PANI nanocomposites for the enhanced photocatalytic degradation of benzene and toluene / S. Husain, S.A. Muhammad, K.A. Ali, M.S. Tanweer, N. Ahmad // Polymer Bulletin. 2025. Vol. 4. P. 1027. doi: 10.1007/s00289-025-06027-4.

11. Heterostructured Cu/CuO nanoparticles embedded within N-doped Сarbon nanosheets for efficient oxygen reduction reaction / G. Xu, J. Huang, X. Li, Q. Chen, Y. Xie, Z. Liu [et al.] // Catalysts. 2023. Vol. 13, no. 2. P. 255. doi: 10.3390/catal13020255.

12. Nanostructured Сarbon and Сopper oxide: synchronous and facile synthesis from a single source and multidimensional applications / J. Akter, M.A. Hanif, I. Lee, S. Shrestha, A. Pandey, N. Gyawali [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 47. P. 144603. doi: 10.1016/j.cej.2023.144603.

13. Fabrication and structural analysis of CuO-NiO and MWCNTs CuO-NiO hybrid nanostructures: versatile materials for environmental and biomedical remediation / A.L. Lone, S.U. Rehman, S. Haq, A.F. Alkhuriji, N.M. Al-Malahi, J. Razzokov [et al.] // RSC Advances. 2025. Vol. 15. P. 22311-22321. doi: 10.1039/D5RA02443A.

14. Инфракрасные сенсорные свойства многослойных нанокомпозитных пленок CuO/CNPs, полученных электрофоретическим синтезом / Ней Вин Аунг, М.А. Пугачевский, В.В. Филиппов, В.М. Емельянов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. T. 13, № 2. С. 177-188. doi: 10.21869/2223-1528-2023-13-2-177-188.

15. Oxygen vacancies-mediated CuON-doped Carbon nanocomposites for non-radical-dominated photothermal catalytic degradation of contaminants / Y. Chen, Y. Dai, Y. Li, Z. Hou, B. Gao, Q. Yue [et al.] // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 389. P. 136054. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.136054.

16. Nickel substituted Cobalt nanoferrites for advanced photocatalytic and electrocatalytic green hydrogen generation / J. Prakash, R. Jasrotia, Suman, J. Ahmed, S.M. Alshehri, T. Ahmad [et al.] // Journal of Molecular Structure. 2025. Vol. 1321. P. 140162. doi: 10.1016/j.molstruc.2024.140162.

17. Hybrid semiconductor photocatalyst nanomaterials for energy and environmental applications: fundamentals, designing, and prospects / K. Mishra, N. Devi, S.S. Siwal, V.K. Gupta, V.K. Thakur // Advanced Sustainable Systems. 2025. Vol. 7. P. 2300095. doi: 10.1002/adsu.202300095.

18. Singlet oxygen driven enhanced photocatalytic degradation of 1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione using surfactant mediated PVA-CuO nanocomposites: combining physical adsorption and photocatalysis / V.G.D. Kumar, S. Kumari, K.R. Balaji, A.A. Khan, C.R. Ravikumar, B.M. Basavaraja [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 462. P. 142187. doi: 10.1016/j.cej.2023.142187.

19. Photocatalytic degradation of organic and inorganic pollutants to harmless end products: assessment of practical application potential for water and air cleaning / M. Raciulete, C. Anastasescu, R.-N. State, A. Vasile, F. Papa, I. Balint // Catalysts. 2023. Vol. 13. P. 380. doi: 10.3390/catal13020380.

20. Combining the bioelectricity generation with photo-electrocatalytic reduction of CO₂ for pollutants degradation and ethanol generation / M. Mehravaran, S. Aber, K. Asadpour-Zeynali // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2023. Vol. 941. P. 117541. doi: 10.1016 /j.jelechem.2023.117541.

21. Mechanistic insights into H₂O dissociation in overall photo-/electro-catalytic CO₂ reduction / M. Ma, Y. Fang, Z. Huang, S. Wu, W. He, S. Ge [et al.] // Angewandte Chemie. 2023. Vol. 941. P. 137. doi: 10.1002/ange.202425195.