Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Общие сведения о структуре диоксида титана 9
1.2. Фотокатализ на основе диоксида титана и основные проблемы такого фотокатализа 13
1.3. Влияние электронных ловушек на фотокаталитические свойства системы на основе диоксида титана 17
1.4. Фермент гидрогеназа. Общие свойства 18
1.4.1. Распространение и классификация гидрогеназ 19
1.4.2. Строение активного центра [NiFej-гидрогеназ 20
1.4.3. Механизм каталитического действия и активация [NiFe] -гидрогеназ 21
1.4.4. Факторы, влияющие на активность и
стабильность гидрогеназ 24
1.4.5. Фотокатализ на системе полупроводник/фермент 24
1.5. Фотокатализ на системе полупроводник/частицы
благородных металлов 26
1.6. Фотокатализ на допированном диоксиде титана 30
Глава 2. Экспериментальная часть 33
2.1. Приготовление рабочих электродов 33
2.1.1. Формирование пленок диоксида титана 33
2.1.2. Высаживание частиц благородных металлов на мезопористую плёнку диоксида титана 35
2.1.3. Формирование фотокатализаторов диоксида титана допированных атомами азота и серы с поглощением в видимом диапазоне света 36
2.1.4. Приготовление электрохимического электрода с иммобилизованной гидрогеназой. Сорбция гидрогеназы 37
2.2. Фотокаталитические свойства образцов допированного диоксида титана 38
2.3. Определение потенциалов плоских зон образцов допированного диоксида титана 39
2.4. Электрохимическая ячейка 39
2.5. Оптические измерения 41
2.5.1. Измерение спектральных свойств образцов допированного диоксида титана 41
2.5.2. Измерение спектральных свойств систем ТЮг/гидрогеназа и ТЮг/наночастицы Au, Ag 41
2.6. Микроскопия 42
Глава 3. Исследование диоксида титана допированного атомами азота и серы 44
3.1.1. Определение потенциала плоских зон образцов допированного диоксида титана 49
3.1.2. ЭПР исследования парамагнитных центров фотогенерируемых в ТІО? 52
3.1.3. Фотокаталитическая активность дотированных образцов 54
3.2 Восстановление ионов серебра до металлического серебра на поверхности допированного атомами N и S диоксида титана 60
Четвертая глава. Исследование мезопористых плёнок диоксида титана с фотодепонированными на них наночастицами золота и серебра .62
4.1. Сравнительное исследование структуры ловушек диоксида титана, а также диоксида титана с нанесенными частицами золота и серебра 62
4.1.1. Электрохимические измерения 62
4.2. Исследование фотокаталитических свойств системы на основе мезопористой пленки диоксида титана с фотодепонированными на нее наночастицами золота и серебра 71
4.2.1. Исследование кинетики восстановления метилвиологена Пі I
с MV до MV на поверности мезопористой плёнки диоксида титана с высаженными на нее наночастицами золота 72
4.2.2. Исследование кинетики восстановления метилвиологена 9-4- 4-
с MV до MV на поверхности мезопористой плёнки ТіОг с фотодепонированными на нее наночастицами серебра 79
4.3. Спектры фотонаведенного поглощения мезопористых пленок ТіОг с фотокаталитически высаженными наночастицами серебра и золота 82
Пятая глава. Исследование системы ТЮг/гидрогеназа 87
5.1. Морфология мезопористых пленок диоксида титана 87
5.2. Фотохимические эксперименты 91
5.2.1. Каталитическая активность гидрогеназы, иммобилизованной на наноструктурированных плёнках диоксида титана 91
5.2.2. Фотокаталитическая активность наноструктурированных пленок диоксида титана, содержащих гидрогеназу 92
5.2.3. Использование различных жертвенных доноров электрона 94
5.2.4. Зависимость фотокаталитической активности пленок Т1О2, содержащих фермент, от интенсивности света 95
5.3. Электрохимические измерения 98
5.3.1. Перенос электрона от ТіОг на реакционный центр гидрогеназы в присутствии дополнительного переносчика заряда метилвиологена 98
5.3.2. Прямой перенос электрона от Ті02 к реакционному центру гидрогеназы 101
5.3.3. Повторная активация электрода 102
Выводы 104
Список литературы
- Фотокатализ на основе диоксида титана и основные проблемы такого фотокатализа
- Высаживание частиц благородных металлов на мезопористую плёнку диоксида титана
- Фотокаталитическая активность дотированных образцов
- Каталитическая активность гидрогеназы, иммобилизованной на наноструктурированных плёнках диоксида титана
Введение к работе
В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем фотокатализа является проблема поиска фотокаталитических систем на основе широкозонных полупроводников, активных под действием видимого света. Такие системы привлекают внимание, благодаря возможности из широкого практического применения, в частности, к проблемам защиты окружающей среды, преобразования световой солнечной энергии в химическую и электрическую, а также для создания сенсоров и устройств нанофотоники. Одним из перспективных направлений является использование диоксида титана (ТіОг), как недорогого химически стойкого материала.
Однако фотокатализ с использованием диоксида титана имеет несколько серьезных недостатков. Например, наблюдается недостаточно высокий квантовый выход реакции (обычно из-за высокой вероятности рекомбинации фотогенерированных зарядов). Кроме этого, недостатком является и то, что поглощение света диоксидом титана и соответственно фотохимическая активность лежит в УФ-области спектра (ширина запрещенной зоны Ті02 около 3.2 эВ). Это ограничивает возможности применения его в качестве фотокатализатора во многих реальных случаях, когда интенсивность УФ-света мала. Например, доля УФ-света, перекрывающегося с полосой поглощения диоксида титана, в спектре солнечного света невелика и составляет ~5% от солнечной энергии. Улучшение фотокаталитических свойств неорганических полупроводников -актуальная задача современной фотохимии.
Перспективным подходом к сенсибилизации таких систем к видимому диапазону света является модификация диоксида титана путем допирования. Известно, что допирование атомами углерода, азота или серы приводит к появлению спектра оптического поглощения и фотокаталитической
активности в видимом спектральном диапазоне [1-4]. Вопрос о природе возникающей полосы поглощения и о фотокаталитически активных центрах в модифицированных образцах диоксида титана требует дополнительного исследования. С помощью квантово-химических расчетов показано, что допирование диоксида титана атомами азота или серы может привести к появлению в запрещенной зоне, ближе к зоне проводимости, дополнительной подзоны, которая определяет поглощение в видимом спектральном диапазоне [4]. Помимо этого, допирование ведет к появлению примесных уровней в запрещенной зоне, что также может привести к возникновению поглощения в видимом спектральном диапазоне и фотокаталитической активности. Появление поглощения в видимом диапазоне света в таких системах свидетельствует о появлении дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне, которые могут способствовать рекомбинации фотогенерированных зарядов, что может приводить вместо ожидаемого увеличения фотокаталитической активности к её падению.
Еще одним направлением в сенсибилизации исследуемых систем к видимому свету является сенсибилизация за счет межфазного переноса электрона. Создание материалов на основе сопряжения наночастиц неорганических полупроводников с наночастицами благородных металлов, таких как золото, серебро, приводит к сенсибилизации фотокатализатора к видимому свету и одновременно с этим повышает вероятность разделения зарядов. Частицы металлов под действием видимого света возбуждаются благодаря плазмонному резонансу, после чего происходит разделение зарядов - фотовозбужденные электроны металла переходят в зону проводимости полупроводника. Различные комбинации формы, размеров, взаимного положения частиц и т.п. дают возможность управления характеристиками полученного таким образом фотокатализатора. Создание комплексных наночастиц на основе диоксида титана и различных благородных металлов позволяет добиться улучшения его характеристик как
фотокатализатора - сдвинуть спектр поглощения, уменьшить вероятность рекомбинации носителей зарядов и т.п.
Одним из наиболее перспективных направлений в фотокатализе сегодня является сопряжение наночастиц неорганических полупроводников с ферментами и/или фотоферментами. Этот путь открывает новые возможности для использования фото- и электрохимически- генерированных в полупроводнике зарядов в многоэлектронных ферментативных каталитических реакциях или для сенсибилизированной инжекции электрона из возбужденного фотофермента в зону проводимости полупроводника. Фермент выступает в качестве катализатора межфазного переноса электрона, и таким образом увеличивает квантовый выход фотокаталитического акта. Такой подход позволяет создавать фотокаталитические системы нового типа, способные селективно вести многоэлектронные каталитические реакции, разрабатывать сенсоры и преобразователи света в химическую энергию и электричество [5,6].
В настоящей работе сообщается о разработке новой системы
полупроводник/фермент на основе фермента гидрогеназы,
иммобилизованного в мезопористую плёнку диоксида титана.
Фермент гидрогеназа способен катализировать реакцию окисления молекулярного водорода, а также обратную реакцию восстановления протонов до водорода:
Н2 ^ 2Н+ +2е~
Выбор гидрогеназы в качестве иммобилизуемого фермента обусловлен тем, что молекулярный водород считается сегодня наиболее перспективным химическим топливом, в частности, для топливных ячеек. Хорошо известны топливные ячейки, основанные на использовании платины в качестве электрокатализатора. Однако существует ряд проблем, которые делают широкое применение таких топливных ячеек невозможным. К основным проблемам таких устройств можно отнести высокую стоимость платины, а
также ограниченные всемирные запасы платины. Второй проблемой при
использовании топливных ячеек на основе платины является проблема загрязнения [7-8]. Наконец, третья проблема, это проблема селективности таких электродов [9]. Электроды на основе фермента гидрогеназа лишены проблем характерных для электродов, основанных на благородных металлах, таких как платина [9-10]. Таким образом, ферментативный катализ на основе фермента гидрогеназы является одним из перспективных способов получения молекулярного водорода, а также для применения в топливных ячейках.
В свою очередь выбор мезопористых плёнок диоксида титана в качестве подложки для иммобилизации фермента был обусловлен тем, что за счёт пористости диоксида титана достигается высокая площадь поверхности, многократно (~1000) превышающая геометрическую площадь электрода [11]. Эта большая поверхность с порами размеров, схожих с размером молекул фермента, позволяет адсорбировать большое количество фермента, без потери его структурных свойств и активности.
Ключевыми вопросами в работе таких систем являются возможность иммобилизации фермента на полупроводник без потери структуры и активности фермента, а также возможность эффективного переноса заряда с полупроводника на активный центр фермента.
Таким образом, в работе исследуется перспективная система нового типа на основе сопряжения фермента гидрогеназа и мезопористых пленок диоксида титана, а также предлагаются пути решения существующих проблем, связанных с проблемой перенапряжения и активности диоксида титана в видимом диапазоне света.
Фотокатализ на основе диоксида титана и основные проблемы такого фотокатализа
Фотокаталитическая активность диоксида титана, который притягивает к себе всеобщее внимание благодаря своей инертности, стабильности и низкой стоимости [22], является объектом интенсивного изучения. Интерес связан с перспективностью использования диоксида титана в качестве фотокатализатора в различных приложениях - преобразовании солнечной энергии, стерилизации, разработке сенсоров, уничтожении органических загрязняющих веществ и т.д.
Исследованиям фотокатализа, и в частности фотокатализа на диоксиде титана посвящено множество работ. В СССР и в России в развитие фотокатализа существенный вклад внесли ряд научных школ. Среди научных групп исследовавших эту проблематику можно отметить школу академика А.А. Красновского. Так в 1961 году, ими было показано, что использование фотокатализаторов, таких как окись цинка, двуокись титана или вольфрамовая кислота сдвигает спектральную чувствительность реакций сопровождающихся выделением кислорода, в область собственного поглощения изученных фотокатализаторов. Так же было показано, что окись цинка и диоксид титана эффективно фотосенсибилизируют разложение перманганата калия [23]. Были исследованы реакции фотохимического выделения кислорода в водных растворах соединений окисного железа, при сенсибилизации окислами вольфрама, титана и цинка [24], фотовосстановление метилвиологена, сенсибилизированное неорганическими полупроводниками, в том числе диоксидом титана [25]. Авторами той же школы исследовалось фотообразование водорода на двуокиси титана, с использованием органических доноров электрона и гидрогеназы [26]. Также авторами было показано фотообразование водорода при прямом фотоиндуцированном переносе электронов от неорганического полупроводника к бактериальной гидрогеназе в водных суспензиях диоксида титана, содержащих гидрогеназу [27]. Было показано фотообразование водорода в результате прямого переноса электронов от частиц сернистого кадмия к ферменту гидрогеназа [28].
Большой вклад в развитие фотокатализа внесла школа академика К.И. Замараева, среди авторов которой особо можно выделить В.Н. Пармона. В пионерских работах этой школы рассматривались возможные пути создания фотокаталитических преобразователей солнечной энергии, особое внимание уделялось фотокаталитическому разложению воды на водород и кислород [29-33]. Большой вклад в развитие фотокатализа на диоксиде титана также внесли представители этой школы: Е.Н. Савинов, А.В. Воронцов, М. Кузнецов.
На электроде на основе диоксида титана впервые Фуджишнмой и Хондой было экспериментально продемонстрировано фотокаталитическое расщепление воды [34].
В фотокаталитических и фотоэлектрических реакциях наибольшую активность проявляет диоксид титана, находящийся в модификации анатаз. Усиление активности анатаз в фотокаталитических реакциях объясняется более высоким положением уровня Ферми у анатаз по сравнению с рутилом, которые составляют 3,3 эВ - 3,4 эВ и 3.1 - 3.2 эВ соответственно [35].
Однако, несмотря на большой интерес к использованию диоксида титана, существует ряд причин, которые ограничивают широкое использование фотокатализа на основе диоксида титана в промышленных целях. Во-первых, это связано с широкой запрещенной зоной диоксида титана. Так, для анатаз она составляет 3,2 эВ. Во-вторых, для фотокаталитической активации диоксида титана необходимо ультрафиолетовое излучение, X 380 нм. Несмотря на мощное солнечное излучение, ультрафиолет соответствует лишь малой части солнечной энергии ( 5%), существенно уступая видимому свету (-45%). Поэтому, модификация диоксида титана с целью изменения его области поглощения из УФ диапазона в область видимого света является одной из важнейших задач современного фотокатализа. Такая модификация даст возможность использовать фотокатализ на основе диоксида титана, как при солнечном излучении, так и в закрытых помещениях.
Широкозонные полупроводники, такие как ТЮ2, ZnO, Fe203 и другие, благодаря своей электронной структуре, которая характеризуется заполненной валентной зоной и незаполненной зоной проводимости, могут использоваться как сенсибилизаторы для окислительно-восстановительных процессов, инициированных светом [36]. Когда энергия фотона hv достигает или превышает энергию запрещенной зоны Eg полупроводника, электрон есь" переходит из валентной зоны VB в зону проводимости СВ, а в валентной зоне образуется «дырка» hvb . Электроны из зоны проводимости и «дырки» валентной зоны могут рекомбинировать и отдавать энергию как тепло, могут быть захвачены метастабильными поверхностными состояниями или реагировать с донорами или акцепторами электронов, адсорбированными на поверхности полупроводника, а также внутри окружающего электрического двойного слоя заряженных частиц. В случае отсутствия подходящих акцепторов электронов и дырок, запасенная энергия рассеивается в течение нескольких наносекунд, в силу рекомбинации [37]. В случае присутствия подходящих акцепторов или поверхностных дефектов, способных захватывать электроны или дырки, это мешает рекомбинации зарядов и появляется возможность для проведения окислительно-восстановительной реакции. Дырки в валентной зоне являются мощными окислителями (от +1 В до +3,5 В относительно нормального водородного электрода, в зависимости от полупроводника и рН), в то время как электроны зоны проводимости являются хорошими восстановителями (от +0,5 В до -1,5 В относительно нормального водородного электрода) [38].
Высаживание частиц благородных металлов на мезопористую плёнку диоксида титана
Плёнки диоксида титана из наноразмерных порошков, как показано на схеме 2.1, наносятся на субстрат по методу «deep-coating». Это простой и эффективный способ приготовления достаточно толстых (до нескольких десятков микрон) мезопористых плёнок диоксида титана. На субстрате закрепляется подложка, в нашем случае лента «Scotch Magic» производства компании ЗМ. Толщина использовавшейся ленты составляет 5 мкм. Использование подложки из двух слоев ленты давало плёнку толщиной 10 мкм, что и показали измерения с помощью сканирующего электронного микроскопа. В качестве субстрата для нанесения плёнок диоксида титана в работе использовалось стекло с проводящим покрытием ITO (Indium Tin Oxide).
Одной из наиболее существенных стадий является стадия выжигания органических примесей и кальцинирования пленки. Оптимальными условиями для кальцинирования и выжигания органических примесей оказались: температура 450С при выдержке 30 минут. Измерения поверхности BET до и после кальцинирования показали незначительное уменьшение поверхности. Увеличение температуры и продолжительности обработки плёнок ведет к уменьшению поверхности, к укрупнению частиц диоксида титана, и переходу от фазы анатаз к фазе рутил. Пленка при этом механически упрочняется. Ниже приведены результаты измерения поверхности методом BET для пленок диоксида титана полученных из промышленного порошка Р25, при различных стабилизирующих веществах использовавшихся при приготовлении пленок и при различных температурах отжига.
Высаживание наночастиц золота и серебра на мезопористую плёнку диоксида титана производилось следующим образом: плёнка диоксида титана, нанесённая на проводящее стекло ITO, помещалась в растворы 5x10" М АиОфН ИЛИ AgNO.3 для фотодепонирования частиц золота или серебра, соответственно. В качестве жертвенного донора в раствор добавлялся 10% этиловый спирт. Затем плёнка облучалась светом ртутной лампы ДРШ-1000, использовали фильтр А, 360нм, в течение 30 минут в случае с серебром и 10 минут в случае с золотом. Процесс роста наночастиц металла контролировали спектрофотометрически по увеличению экстинкции в плазмонной полосе металла.
Исследование спектров фотонаведенного поглощения Исследование спектров фотонаведенного поглощения включало в себя ряд измерений для последовательности длин волн А,;, в диапазоне от 400 до 730 нм с шагом 15 нм (от 505 до 550 нм измерения не проводились, в силу высокой интенсивности рассеяния лазерного излучения). Выбор длины волны обеспечивал монохроматор, перед образцом. На входе монохроматора устанавливались фильтры, вырезающие необходимый участок спектра. Накачка осуществлялась лазерным импульсом от параметрического перестраиваемого импульсного генератора света на длине волны 532 нм. Длительность этих импульсов составляла 10 не, а энергия, приходящая на возбуждающий импульс - 20 мДж.
Для синтеза диоксида титана использовали тетраизопропоксид титана. На первом этапе синтеза получали золь диоксида титана: Ti(iPrOH)4 смешивали с ледяной уксусной кислотой в мольном соотношении 1:1 и полученный раствор добавляли по каплям в водный 0.03 М раствор HN03 (1:3 по объему) при интенсивном перемешивании и охлаждении в водяной бане со льдом. Часть полученного раствора подвергали пептизации, для чего его выдерживали двое суток при температуре 20С, после чего высушивали при температуре 100С. Этот порошок диоксида титана использован в качестве предшественника для первого образца модифицированного диоксида титана (TUi02 №1). Оставшийся раствор желировали нагревом до 80С в течение 30 минут и далее подвергали пептизации при комнатной температуре, Т = 20С, в течение двух суток. Затем, отбирали вторую объемную долю раствора, сушили её при 100С и использовали в качестве предшественника для второго образца модифицированного диоксида титана (TUi02 №2). Оставшийся золь подвергли гидротермальному созреванию в автоклаве с тефлоновым вкладышем при 230С в течение 16 часов
Фотокаталитическая активность дотированных образцов
Хорошо известно, что С(Ж)2)з является первичным продуктом восстановления тетранитрометана сольватированными электронами и ион-радикалом 02 , возникающими при радиолизе водных растворов
Согласно существующим представлениям при фотолизе ТЮ2 в зоне проводимости возникают электроны, способные реагировать с адсорбированным кислородом с образованием О? . Образование нитроформа в исследуемой системе в отсутствие добавок изопропанола указывает на образование при возбуждении видимым или УФ-светом е в зоне проводимости и/или 02 . Образование С(г\Ю2)з в исследуемой системе указывает на образование при возбуждении видимым или УФ-светом е" в зоне проводимости ТЮ2 и/или образование 02"\
Исследован вопрос о возможности восстановления тетранитрометана перекисными соединениями, образующимися в результате фотокатализа в водном растворе. Контрольные эксперименты показали, что эти реакции не приводят к образованию существенного количества С(Ж)2)з . Таким образом тетранитрометан реагирует с е" в зоне проводимости ТЮ2 и/или с 02"" адсорбированным на поверхности, но не с возможно образующимися в результате фотокатализа перекисными соединениями.
Образование І3 в фотокаталитических реакциях с ТЮ2 обусловлено реакциями с участием фотогенерированных в валентной зоне дырок h . Таким образом, образование І3 свидетельствует, что потенциал дырок, генерированных в модифицированном TUi02 достаточен для окисления I .
Допирование диоксида титана могло привести к образованию локализованных примесных состояний в запрещенной зоне или к образованию подзоны в запрещенной зоне. Расчеты предсказывают образование подзоны вблизи валентной зоны ТіОг- Как видно из результатов измерений ширины запрещенной зоны (таблица 4) имеется тенденция к уменьшению ширины запрещенной зоны Eg (2) при допировании диоксида титана атомами серы. Параметр Eg (1) оцененный из зависимости Урбаха представляет несколько завышенные значения ширины запрещенной зоны. Величина Её (2) измеренная для модифицированного диоксида титана Aeroxide Р25 равна 3.2 эВ, что с высокой точностью соответствует принятым литературным данным 3.18 эВ. Возбуждение светом с длинной волны А,=460 нм соответствует энергии кванта света hv — 2.91 эВ, что близко к значению ширины запрещенной зоны для образца TUi02 № 1, но меньше ширины запрещенной зоны для всех оставшихся образцов. Если сравнить скорости образования нитроформа или I3 , то при возбуждении светом с А,=460нм она оказывается наибольшей для ТИ-ТіОг № 2 с шириной запрещенной зоны 3.1 эВ. Этот факт дает основание предположить, что фотокаталитический эффект в исследуемых образцах связан преимущественно с локализованными состояниями в запрещенной зоне с распределением Урбаха.
Дополнительными аргументами в пользу этого предположения служат следующие наблюдения:
1) как видно из таблицы при возбуждении светом УФ диапазона 355 нм (-3.4 эВ) наибольшую активность проявляют те образцы, у которых наименьшая активность была при возбуждении светом видимого диапазона 460 им ( 2.9 эВ);
2) наибольшая активность при возбуждении видимым светом наблюдается у образцов с наименьшим размером нанокристаллов ТЮ2.
Недавние результаты измерений методом фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии морфологии частиц диоксида титана модифицированных по той же методике, что используется в настоящей работе, показали, что TU1O2 наночастицы организованы как ядро/оболочка. В поверхностном слое диоксида титана толщиной около 3 нм находятся атомы серы, азота и углерода, а в ядре радиусом около 4-5 нм чистый диоксид титана. Поэтому, уменьшение размеров нанокристаллов диоксида титана ведет к увеличению концентрации примесных центров и к увеличению активности, что отмечено выше. Наряду с эти отметим, что увеличение процента примесных атомов серы в образце и величина коэффициента поглощения в видимом диапазоне света не имеют строгой корреляции (спектры и процент содержания серы в образцах № 1 и № 2), но можно отметить тенденцию — наблюдаемое поглощение, как правило, тем больше, чем больше содержание серы.
В рамках объяснения полученных результатов анализируются следующие гипотезы - допирование диоксида титана могло привести к образованию локализованных примесных состояний в запрещенной зоне или к образованию подзоны в запрещенной зоне. Анализ полученных экспериментальных данных позволяет предположить, что фотокаталитический эффект в исследуемых образцах связан преимущественно с локализованными состояниями в запрещенной зоне с распределением Урбаха.
Наблюдается корреляция между шириной распределения состояний ЫкТ и фотокаталитической активностью при возбуждении видимым светом. Чем шире распределение состояний, что свойственно нанокристаллам с меньшим размером, тем выше фотокаталитическая активность при возбуждении видимым светом, и тем ниже активность при возбуждении УФ светом.
Каталитическая активность гидрогеназы, иммобилизованной на наноструктурированных плёнках диоксида титана
Была проведена оценка зависимости скорости реакции образования молекулярного водорода от используемого в системе донора электронов. В качестве доноров помимо дитиотриэтола были рассмотрены другие органические соединения: этанол, глюкоза и глицерин.
При контрольном освещении мезопористых плёнок диоксида титана не содержащих фермента в течение двух часов в водных растворах этанола и глицерина неферментативного выделения водорода не наблюдалось. При освещении плёнки без фермента в растворе глюкозы наблюдалось незначительное выделение водорода. Скорость образования водорода в этом случае составила 0,03 мкл НУмин. Данные по активности мезопористых пленок диоксида титана, содержащих гидрогеназу, в растворах различных доноров приведены в таблице 8.
Таким образом, в качестве доноров электронов можно использовать PI этанол, глюкозу и глицерин. Глицерин, как видно из таблицы 8, обеспечивает большую, чем дитиотриэтол, скорость фотообразования водорода мезопористой пленкой диоксида титана, содержащей гидрогеназу.
Зависимость скорости фотообразования водорода мезопористыми пленками диоксида титана, содержащими гидрогеназу (0,019 мг), в нашей системе от интенсивности света показана на рисунке 44. Скорость фотообразования молекулярного водорода в нашей системе от интенсивности света, которым облучался образец, на начальном этапе монотонно возрастает. Однако затем происходит насыщение, которое связанно, по-видимому, с рекомбинацией электрон-дырочных пар, но не с насыщением фермента.
Можно сказать, что в широком интервале происходит эффективный отток электронов из зоны проводимости полупроводника к ферменту в отсутствие переносчика электрона. Рассчитан квантовый выход реакции фотообразования молекулярного водорода (количество молекул водорода, образовавшихся при попадании на пленку одного кванта) при максимальной интенсивности света, которая составляла 4ХІ03 эргхсм хс" , в предположение, что все кванты поглощаются. Он составил порядка 1% молекул на квант. В случае, когда интенсивность освещения составляла 10% от максимальной интенсивности, максимальный квантовый выход фотообразования молекулярного водорода составил 12%.
В целом процесс фотообразования водорода мезопористыми плёнками диоксида титана с иммобилизованной гидрогеназой можно представить следующей схемой, представленной на рисунке 45. В результате иммобилизации фермента гидрогеназы на мезопористои плёнке диоксида титана, происходит формирование наноразмерного фотобиокатализатора, представляющего собой комплекс фермента с несколькими нанокристаллами неорганического полупроводника. При возбуждении образованного комплекса светом ртутной лампы, в наночастицах полупроводника происходит разделение зарядов с последующим восстановлением реакционного каталитического центра фермента фотогенерированными электронами. Фермент использует фотогенерированные электроны для образования молекулярного водорода. Фотогенерированная дырка мигрирует от наночастиц в составе комплекса к поверхности мезопористои плёнки диоксида титана, где происходит окисление донора электрона.
Предварительно, в контрольном эксперименте нами было показано, что при помещении электрода на основе мезопористой плёнки диоксида титана с иммобилизованной на ней гидрогеназой в водородную атмосферу, на электроде устанавливался равновесный водородный потенциал. Полученное экспериментальное значение равновесного водородного потенциала для нашего рабочего электрода составило U=-620 мВ. Этот результат хорошо согласуется с табличным значением равновесного водородного потенциала для рН=7,2 итабл=-627 мВ относительно электрода сравнения. Небольшое различие в значениях во многом обусловлено тем, что определенный вклад в экспериментальное значение потенциала вносят непосредственно мезопористая плёнка диоксида титана, а также проводящее покрытие ITO, которые смещают значение равновесного потенциала. В тоже время было показано, что в отсутствие иммобилизованной гидрогеназы равновесный водородный потенциал на электроде диоксида титана в водородной атмосфере не устанавливался.
