Хлопья углерода превратили пьезоактивный фторполимер в фотокатализатор

Ученые синтезировали мембрану, состоящую из волокон фторсодержащего полимера с встроенными в них углеродными хлопьями. Впервые показано, что добавка определенного количества углерода приводит к активации фотокаталитических свойств в поливинилиденфториде (ПВДФ). После облучения светом гибридный материал с добавкой 0,5 масс. % хлопьев углерода разлагал около 91% красителя, тогда как чистый полимер — только 24%. Также после воздействия ультразвуком синтезированная мембрана разлагала краситель в 5,61 раз лучше, чем исходный полимер. Полученные данные могут быть использованы для создания недорогих безметалловых полимерных фотокатализаторов для очистки сточных вод от красителей и других токсичных веществ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), исследования опубликованы в журнале ChemistrySelect.

Для очистки сточных вод можно использовать фотокатализаторы. Эти материалы преобразуют световую энергию в химическую и с ее помощью разрушают загрязнители. Однако большинство современных фотокатализаторов — это металл-оксидные наночастицы, которые впоследствии тяжело отделять от раствора и повторно использовать. Для решения этой проблемы наночастицы фотокатализатора обычно иммобилизуют в инертную полимерную матрицу. Это позволяет решить проблему с отделением и повторным использованием катализатора, но вместе с тем такой подход приводит к резкому падению каталитической активности.

Ученые из Дагестанского государственного университета совместно с коллегами из России и Чехии синтезировали композитную мембрану, состоящую из полимерных волокон фторсодержащего вещества — поливинилиденфторида (ПВДФ) — и включенными в них углеродными хлопьями, состоящих из слоев графита, массовая доля которых достигала 0,5% или 1,5%. Основываясь на данных электронной микроскопии, было показано, что углеродные хлопья равномерно встраивались в волокна ПВДФ. При этом добавление углеродных хлопьев привело к уменьшению диаметра волокна в два раза (с 0,001 миллиметра до 0,0004 миллиметров).

Между поверхностью углеродных хлопьев и полимером формировались прочные межмолекулярные связи, которые привели к перераспределению электронной плотности на межфазных границах волокон ПВДФ и хлопьев углерода. В результате повысилась светочувствительность полимера. Так, если чистый ПВДФ практически не поглощает свет, то добавление 0,5% и 1,5% углерода увеличивало поглощение в два и семь раз соответственно.

Несмотря на то, что чистый ПВДФ не проявляет фотокаталитической активности (разложение 24% красителя за час обусловлено воздействием света), и добавление фотокаталитически неактивного углерода теоретически никак на это не должно было повлиять, исследователи все же оценили, какая доля красителя будет распадаться за 60 минут под влиянием синтезированных образцов. Оказалось, что после облучения светом композитный материал разлагал на 67% больше красителя, чем чистый ПВДФ, и делал это в 10,3 раза быстрее.

Еще одним преимуществом такого материала является наличие пьезокаталитической активности. Показано, что исходный ПВДФ способен разрушать красители под влиянием ультразвука. Однако при этом он сам быстро распадается из-за кавитации. Модификация углеродными хлопьями повысила структурную и механическую стабильность материала и увеличила эффективность разложения красителя на 60%.

«Наличие у таких композитных материалов фотокаталитической активности является весьма нетривиальным результатом, учитывая тот факт, что ни ПВДФ, ни углерод по отдельности не являются фотокаталитически активными материалами. На основании исследования комплекса свойств самого материала и его фото-, пьезо- и пьезофотокаталитической активности нам удалось продемонстрировать, что механизм активации фотокатализа не описывается с точки зрения классической модели фотокатализа, основанной на генерации свободных носителей зарядов, а хорошо согласуется с моделью обмена энергией между возбужденным экситоном и субстратом. Это неожиданный для нас результат, который мы получили в рамках решения других задач по гранту РНФ, и на наш взгляд — это интересное и перспективное как с фундаментальной, так и практической точек зрения, направление исследований и поэтому мы намерены развивать дальше эти исследования», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фарид Оруджев, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник ДГУ.

Также в исследовании приняли участие ученые из Технического университета в Брно, Дагестанского федерального исследовательского центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета.