ИСТИНА

Основная научная идея проекта заключается в исследовании ранее неизученных фотопротекторных свойств пигментов на основе композитов, содержащих TiO2 и CeO2 и поиск путей для создания пигментов на основе этой системы, сочетающих высокие значения солнцезащитного фактора и низкую фотокаталитическую активность. Известно несколько работ, поcвященных золь-гель синтезу композитов, содержащих TiO2 и CeO2. В этой системе могут присутствовать кристаллические (анатаз, рутил) модификации оксида титана, кристаллический CeO2 и смешанные оксиды (например, Ce2Ti2O7 со структурой лепидокрокита). Процессы кристаллизации в этой системе изучены недостаточно, в литературе отсутствуют данные о концентрации аморфной фазы в зависимости от условий отжига. В то же время, эта фаза может оказывать влияние как на фотокаталитическую активность пигментов, так и на их окраску. Кроме того, в условиях синтеза может происходить формирование кислородной нестехиометрии во всех присутствующих в системе оксидных фазах. В результате этого в запрещенной зоне каждого из оксидов могут формироваться дополнительные уровни энергии, что, очевидно, будет сказываться на окраске, причем кислородная нестехиометрия будет определяться условиями синтеза. В ходе выполнения проекта планируется исследовать взаимосвязь состава пигментов и условий синтеза с их функциональными свойствами. Также исследования включают аттестация фотокаталитической и фотоингибиторной (УФ-протекторной) активности пигментов на основе композитов, содержащих TiO2 и CeO2. Анализ фотокаталитической активности будет проведен с использованием модельной реакций фотодеградации органических красителей при облучении светом в ультрафиолетовом и видимом диапазоне. Природа активных частиц будет изучена методом хемолюминесцентной фотометрии с использованием люминола в качестве молекулы-зонда. Следует отметить, что исследование фотопротекторных свойств материалов в системе CeO2-TiO2 будет проведено впервые.

The main scientific idea of the project is to study photoprotective properties of pigments based on composites containing TiO2 and CeO2 and to find ways to create pigments based on this system that combine high values of the sun protection factor and low photocatalytic activity. In this system, crystalline (anatase, rutile) modifications of titanium oxide, crystalline CeO2, and mixed oxides (for example, Ce2Ti2O7 with a lepidocrocite structure) may be present. The crystallization processes in this system have not been sufficiently studied; in the literature there are no data on the concentration of the amorphous phase depending on the annealing conditions. At the same time, this phase can affect both the photocatalytic activity of pigments and their color. In addition, under the synthesis conditions, the formation of oxygen non-stoichiometry can occur in all oxide phases present in the system. As a result of this, additional energy levels can form in the forbidden zone of each of the oxides, which, obviously, will affect the color, and oxygen non-stoichiometry will be determined by the synthesis conditions. In the course of the project, it is planned to investigate the relationship of the composition of pigments and synthesis conditions with their functional properties. Studies also include certification of photocatalytic and photoinhibitory (UV-protective) activity of pigments based on composites containing TiO2 and CeO2. An analysis of photocatalytic activity will be carried out using model reactions of photodegradation of organic dyes when irradiated with light in the ultraviolet and visible ranges. The nature of the active particles will be studied by chemoluminescent photometry using luminol as a probe molecule. It should be noted that the study of the photoprotective properties of materials in the CeO2-TiO2 system will be carried out for the first time.

1.Синтез композитов в системе CeO2-TiO2 золь-гель методом. Для определения границ существования твердых растворов будут синтезированы материалы, содержащие 0-10% CeO2 и 90-100% CeO2. Максимальная используемая температура будет составлять не менее 1100 °С. Конкретные температуры отжига будут выбраны, исходя из данных термического анализа. 2. Проведение термического анализа продуктов золь-гель синтеза с целью определения температур удаления примесей и возможных температур фазовых переходов. 3. Анализ полученных пигментов методами рентгеновской дифракции и локального рентгено-спектрального микроанализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с целью установления структуры и состава полученных образцов и процессов кристаллизации аморфной фазы. 4. Проведение анализа структуры полученных пигментов методами растровой микроскопии и низкотемпературной адсорбции азота, анализ распределения частиц по размерам. 5. Анализ спектров поглощения полученных материалов. Анализ маслоемкости, укрывистости и цветности пигментов с точки зрения цветовой модели (цветовое пространство CIELAB) в рамках международных стандартов ISO 11664, ASTM D 6441-05 и D 1483-95, выявление пигментов с наиболее яркими, чистыми и интенсивными цветами. 6. Анализ фотокаталитических и фотопротекторных свойств полученных материалов, создание модельных косметических средств на их основе.

Участники коллектива обладают значительным опытом синтеза материалов на основе TiO2 и Al2O3. Показано, что присутствие аморфной фазы приводит к уменьшению фотокаталитической активности материалов на основе TiO2, несмотря на то, что у полностью закристаллизованных образцов более низкая удельная площадь поверхности. Этот результат позволил изменить представление о том, что высокая удельная площадь поверхности предопределяет высокую фотокаталитическую активность материала. Кроме того, был предложен и успешно реализован подход, позволяющий проводить количественный анализ содержания аморфной фазы, точность которого составляет около 3 масс. %, который связан с совместным использованием двух типов стандартов – кристаллического кремния и полностью рентгеноаморфного соединения. Этот подход открыл новые возможности, как для исследования фотокатализаторов и пигментов на основе оксида титана, так и для исследования роли аморфной фазы для функциональных свойств других классов неорганических материалов. Авторами заявки разработан метод подавления фотокаталитической активности оксида титана, путем легирования ионами хрома, железа, марганца. Методом спектроскопии в УФ- и видимой областях изучены центры окраски и установлена природа оптических переходов. Разработан метод синтеза новых нетоксичных пигментов на основе лантан- и висмутзамещенного гидроксиапатита. Полученные данные открывают путь к получению нового класса низкотоксичных неорганических пигментов, которые можно использовать в качестве альтернативы соединениям кадмия и свинца.

1.Проведен синтез композитов в системе CeO2-TiO2 золь-гель методом и методом СВС. Опреелено, что растворимость TiO2 в CeO2 составляет не более 2 %. 2. Определены температуры удаления примесей из продуктов золь-гель и СВС-синтезов. При использовании золь-гель синтеза удаление примесей достигается при 450 оС, для продуктов СВС - при 700-750 оС. 3. Продукты синтеза были проанализированы методами рентгеновской дифракции и РСМА, установлены особенности кристаллизации аморфной фазы, анатаза и рутила при различном процентном содержании примеси CeO2. 4. Проанализирована цветность пигментов, пигменты, содержащие 3-1-% Ce демонстрируют яркий желтый цвет. 5. Показано, что фотокаталитическая активность пигментов уменьшается при добавлении церия, в то время, как фотопротекторные свойства остаются поактически неизменными.