Умные полимерные мембраны очистят воду, преобразуя световую и механическую энергии
Схема синтеза, анализа и пример применения гибридного фотокатализатора
© Orudzhev et al. / Polymers, 2023.
Химики разработали волоконные гибридные полимерные мембраны, ускоряющие химические превращения под действием световой и механической энергии. Авторы доказали эффективность полученных катализаторов в реакции разложения метиленового синего — красителя, который широко используется в химии и медицине. Разработка может лечь в основу дешевых, биосовместимых и экологически чистых катализаторов для очистки сточных вод от продуктов химического синтеза и других загрязнителей. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
При работе химических производств и промышленных предприятий в воду часто попадают загрязняющие органические вещества, например красители, антибиотики и пестициды, которые могут быть опасны для окружающей среды и человека. Для очистки сточных вод от подобных загрязнителей можно использовать фотокатализаторы. Это вещества или материалы, ускоряющие химические реакции под действием света. Когда фотокатализатор облучают светом необходимой длины волны, в нем генерируются свободные носители зарядов (электроны и дырки), которые, участвуя в поверхностных окислительно-восстановительных реакциях, приводят к разложению загрязнителей, содержащихся в воде. Однако на практике применение фотокатализа пока ограничено, в частности из-за того, что наночастицы фотокатализатора, попадая в воду, сами могут стать загрязнителями.
В этой связи в качестве основы-носителя для наночастиц фотокатализаторов очень удобны полимерные мембраны на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), поскольку их можно легко извлекать из раствора и использовать повторно, они прочные, нетоксичные, биосовместимые, устойчивые к высоким и низким температурам, а также химикатам. Однако, учитывая инертность этого полимера — то есть его низкую каталитическую активность, — ученые синтезируют на его основе гибридные материалы, включая в них более «активные» наполнители.
Ученые из Дагестанского государственного университета (Махачкала), Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала) с коллегами из Чехии решили вовсе не добавлять фотокаталитически активные наночастицы в состав полимера и синтезировали гибридный фотокатализатор на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и гидратированной соли нитрата кальция. Чтобы сформировать мембрану из раствора этих веществ, авторы использовали метод электропрядения: смесь компонентов с помощью сверхтонкого дозатора под электрическим напряжением распыляли так, чтобы струи сформировали сеть из полимерных волокон.
Исследователи проанализировали структуру полученного материала и определили, что между волокнами мембраны и молекулами гидратированной соли образовалась плотная сеть водородных связей, которая не характерна для чистого полимера. Кроме, того модификация привела к тому, что полимер стал чувствительным к свету: при его действии в материале формировались свободные носители зарядов, необходимые для участия в окислительно-восстановительных реакциях. Водородные связи в такой структуре интересны тем, что они действуют как транспортные мостики для эффективной миграции свободных носителей к поверхностным активным центрам, где они могут участвовать в химических превращениях, тем самым обеспечивая высокую фотокаталитическую активность.
Чтобы проверить эффективность полученного материала, авторы использовали его для ускорения реакции разложения метиленового синего — органического красителя, широко используемого в микробиологии для окрашивания клеток бактерий, а также в медицине в качестве антисептика. Авторы провели реакцию в условиях видимого света и при действии ультрафиолета. Действие обоих источников излучения активировало фотокатализатор. При использовании модифицированной полимерной мембраны за час при видимом свете разложилось 44% красителя, а в случае ультрафиолета — 89%, тогда как для чистого немодифицированного полимера никакой активности не наблюдалось.
«Наша работа открывает перспективы для разработки недорогих и экологически чистых умных гибридных полимерных катализаторов, которые можно использовать для очистки сточных вод. Одним из преимуществ нашего материала является то, что он дает возможность управлять активностью катализатора и скоростью реакции: предложенный нами полимер может быть активирован с помощью внешнего механического воздействия, например, давления раствора или ультразвука. В дальнейшем мы планируем провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить, что активность полимера повышается именно благодаря настройке его структуры водородными связями», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фарид Оруджев, кандидат химических наук, заведующий лабораторией Smart Materials Дагестанского государственного университета.