UVOD

Nanostrukture na bazi TiO₂ (nanocjevčice, nanoštapići, nanočestice) imaju veliku specifičnu površinu koja u kombinaciji s dobrim interkalacijskim i ionsko izmjenjivačkim svojstvima, omogućava primjenu u foto-katalizi, solarnim ćelijama i senzorima. Jedno od glavnih ograničenja za navedene primjene TiO₂ materijalima je široki energijski procjep (band gap), Eg=3,2 eV, čime je njegova moguća primjena ograničena samo na UV zračenje. Nanostrukture TiO₂ možu se modificirati vezanjem različitih funkcionalnih molekula i nanočestica na njihovu površinu, te grijanjem u reduktivnoj atmosferi. Ove modifikacije mijenjaju elektroničku strukturu, podešavaju energijski procjep, te kombiniraju povoljna svojstva dvaju različitih nanostrukturiranih materijala. U predloženom projektu bit će istraženo poboljšanje optičkih svojstava funkcionaliziranjem površine TiO₂-nanocijevčica (NT) u cilju poboljšanja efikasnosti.

CILJEVI PROJEKTA, OČEKIVANI REZULTATI I POSTIGNUĆA

Cilj predloženog projekta je razvijanje novih nanostrukturiranih materijala na bazi TiO₂ koji će imati potencijal kao učinkoviti foto-katalizator za pročišćavanje otpadnih voda te fotoelektro-katalitički kemijski senzor. Hipoteza je da će funkcionalizirane TiO₂-NT pokazati poboljšana katalitička i senzorska svojstava zbog povećane apsorpcije u vidljivom (Vis) i bliskom infracrvenom (NIR) dijelu Sunčevog zračenja. Bolja apsorpcija u Vis i NIR postići će se sužavanjem energijskog procjepa bilo strukturnim ili kemijskim modifikacijama. Pripremit će se i karakterizirati TiO₂-NT funkcionalizirane nano slojevima ili nano česticama perovskita i plemenitih metala (npr. BaTiO₃, SrTiO₃ ili Ar, Au, Pt itd.) te grijanjem u reduktivnoj atmosferi. Zbog neuređenosti rešetke blizu površinskog sloja, koja se događa nakon grijanja u reduktivnoj atmosferi, očekuje se formiranje kisikovih vakancije, te Ti-OH i Ti-H grupa, koja rezultiraju stvaranjem velikog broja lokaliziranih donor/akceptor stanja u energijskom procjepu TiO₂. Nadalje, efekt površinske plazmonske rezonancije uzrokovana nanočesticama plemenitih metala dodatno će poboljšati apsorpciju u Vis i NIR području.

S ciljem razumijevanja funkcionalna svojstva i povezivanja sa strukturnim svojstvima, pripremljeni materijali će se istražiti Ramanovom spektroskopijom, te pretražnom i transmisijskom elektronskom mikroskopijom visokog razlučivanja. Optička svojstva će biti proučena UV-Vis-NIR spektroskopijom.

Istraživanje funkcionalnih svojstava pripremljenih materijala dalje će biti nastavljena u dva pravca; ispitivanje foto-katalitičkih svojstava za pročišćavanje otpadnih voda te razvoj fotoelektro-katalitičkih kemijskih senzora.

U procesu fotokatalize, fotoni se koriste kao izvor energije za poticanje katalitičke razgradnje organskog onečišćenja u otpadnim vodama. Korištenjem predloženih modifikacija TiO₂-NT, katalitička aktivnost će se postići u vidljivom i NIR spektralnom području. Fotokataliza će se istražiti na primjeru otpadnih voda sa stvarnim onečišćenjima, npr. lijekovima i hormonima.

U dijelu vezanom uz razvoj kemijskih senzora, fokus će biti na razvoju fotoelektrokatalitičkih amperometrijskih biosenzora temeljenih na TiO₂ nanocjevčicama. Konkretno, pokušat će se riješiti jedan od osnovnih problema koji trenutačno sprječava širi razvoj fotoelektrokatalitičkih biosenzora – degradaciju biološkog receptorskog elementa u uvjetima pri kojima dolazi do mjerljive fotoelektrokatalize na poluvodičkim materijalima temeljenima na TiO₂, a koji podrazumijevaju iluminaciju TiO₂-elektrode UV zračenjem. Ciljanim modificiranjem površine TiO₂-NT dobiti će se elektrode koje su fotokatalitički aktivne u Vis dijelu spektra, a biti prikladne za imobilizaciju enzima kao receptorskog dijela biosenzora. Za modificiranje TiO₂ nanocjevčica će se koristiti poluvodičke nanočestice ili tanki filmovi, pa će se na taj načim omogućiti stvaranje fotoanoda osjetljivih na vodikov peroksid, te bifunkcionalni senzibilizatori, prvenstveno iz skupine fenotiazinskih bojila. Oni će omogućavati kovalentno vezanje enzima na površinu fotokatalitičke elektrode, a istovremeno djelovati kao medijatori elektrona pri elektrokemijskoj oksidaciji ili redukciji kofaktora enzima (primjerice, NAD(P)/NAD(P)H). Na predloženi način izradit će se fotoelektrokatalitički biosenzori s odabranim enzimima iz skupine oksidoreduktaza, čije će se analitičke performanse testirati u analizi biološki važnih analita u realnim uzorcima. Osim na konvencionalno korištenim materijalima (Ti-folija, tanki filmovi Ti na čvrstim supstratima), opisani foto-elektro-katalitički biosenzori pokušat će se izvesti i na fleksibilnim podlogama kao što su polimerna folija ili tekstilni materijali, kako bi se dobili senzori za specijalne primjene, primjerice integraciju s odjećom.

Katalitička i senzorska svojstva bit će povezana s optičkim svojstvima, morfologijom, kristalnom i elektronskom strukturom nano-materijala baziranih na TiO₂ i to prije i poslije spomenutih funkcionalnih eksperimenata.

Rezultati temeljnog istraživanja dobiveni u ovom projektu, objavit će se u međunarodnim znanstvenim časopisima. Znanja stečena tijekom projekta bi se mogla koristiti kao baza za prijavu EU projekata, dok se razvijeni materijali mogu dodatno testirati za moguću tehnološku primjenu. Osim toga, 2 doktorska studenta i 1 poslijedoktorand će biti uključeni u projekt i educirani u primjeni različitih metoda istraživanja.