Вода и свет улучшили способность оксида цинка разрушать органические загрязнители

Ученые синтезировали стержневые микроструктуры оксида цинка, которые могут использоваться при очистке сточных вод от органических красителей. При этом образцы, обладающие большей гидрофильностью, то есть сродством к воде, разрушали 95% красителя за шесть минут, а гидрофобные — почти то же количество, но за 15 минут. Таким образом, исследователи разработали материал, способный без сложных дорогостоящих модификаций разлагать органические загрязнители. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Органические вещества, выбрасывающиеся химическими предприятиями, попадают в сточные воды и на свалки. Для очистки воды ученые предлагают использовать экономически выгодные фотокатализаторы. Эти материалы преобразуют энергию света в химическую и используют ее для разложения красителей и других органических загрязнителей. Так, оксид цинка (ZnO) широко используется в фотокатализе благодаря своей высокой физико-химической стабильности, низкой токсичности и доступности. Однако оксид цинка быстро теряет свои каталитические способности, что вынуждает исследователей искать пути его модификации. Было показано, что фотокаталитические свойства материала могут быть улучшены за счет повышения гидрофильности — лучшей смачиваемости — этого соединения. Оксид цинка сильнее смачивается после предварительной кратковременной обработки ультрафиолетом. Однако данных о том, как смачивание влияет на поверхность и фотокаталитические свойства ZnO, еще не достаточно.

Ученые из лаборатории Smart Materials Дагестанского государственного университета оценили, насколько фотокаталитическая активность гидрофильного оксида цинка отличается от свойств гидрофобного ZnO. Авторы синтезировали самоорганизующиеся микроструктуры оксида цинка, состоящие из четырех стержней, направленных в вершины тетраэдра. Такие структуры называют тетраподами. Часть образцов исследователи облучали ультрафиолетом для повышения их гидрофильности. В области смыкания стержней доля кислорода достигала 68,8%, а на кончике, напротив, преобладал цинк: его содержание достигало 88,4%. Это указывало на дефицит цинка у оснований тетрапода и на накопление кислородных вакансий на их кончиках. При этом таких дефектов было больше у гидрофильных образцов ZnO, чем у гидрофобных.

Затем исследователи проверили, насколько эффективно тетраподы оксида цинка разрушают органический краситель при облучении искусственным солнечным светом. Под действием гидрофобного ZnO за 15 минут разлагалось около 97% красителя. Однако гидрофильный краситель справился с 95% красителя за шесть минут. Разложение ускорилось из-за того, что стало больше поверхностных дефектов и улучшилась смачиваемость катализаторов. При этом за счет поверхностных кислородных дефектов ZnO проявлял высокую фотокаталитическую активность как в ультрафиолете, так и при облучении солнечным светом. Под прямым солнечным светом за восемь минут было разложено 93% красителя.

Известно, что под воздействием света в фотокатализаторе генерируются свободные носители зарядов, мигрирующие к поверхности катализатора из более глубоких слоев. Эти носители взаимодействовали с водой и растворенным в ней кислородом, создавая радикалы, которые эффективно окисляли органический краситель. Дефекты оксида цинка служили ловушками для фотовозбужденных носителей зарядов. В результате гидрофильные микроструктуры, содержащие больше дефектов, оказались более активными.

«Оксид цинка — это один из самых широко изученных материалов, используемых в "отрицательном" фотокатализе. Эти исследования начались достаточно давно и продолжаются до сих пор. Вместе с тем оксид цинка не лишен недостатков, которые препятствуют его практическому применению, главным из которых является то, что порог его светочувствительности ограничен областью ультрафиолетового света, которого в солнечном свете не более 5%. Тогда как священным граалем фотокатализа является идея прямого солнечного фотокатализа по аналогии с фотосинтезом. Нам удалось произвести фотоочувствление оксида цинка к солнечному свету без традиционных дорогих процедур. При этом мы добились рекордных значений скорости разложения красителей при естественном солнечном свете с использованием оксида цинка микронных размеров, который к тому же можно легко синтезировать в больших масштабах без существенной потери активности», — рассказывает Фарид Оруджев, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник ДГУ.

Также в исследовании приняли участие ученые из ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Института радиационных проблем НАН Азербайджана, Технического университета в Брно.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».