«Умный» фотокатализатор разрушил загрязнители сточных вод с помощью солнечного света всего за полчаса

Ученые синтезировали уникальный материал — гибридный фотокатализатор, состоящий из органического и неорганического нанокомпонентов. Под действием видимого и ультрафиолетового света он генерирует свободные радикалы, которые с эффективностью более 90% разрушают органические загрязнители, попадающие в сточные воды от химических производств. Кроме того, новый фотокатализатор в 11 раз быстрее аналогов подавляет рост бактерий Escherichia coli (кишечной палочки) — микроорганизма, активно размножающегося в сточных водах. Полученный материал потенциально может использоваться при очистке сточных вод от токсинов, красителей и других соединений, использующихся в химической промышленности, а также при их обеззараживании от микроорганизмов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Materials and Interfaces.

Твердые фотокатализаторы — это активно развивающийся класс «зеленых» материалов, способных преобразовывать энергию света в химическую, которая может быть использована для очистки сточных вод. Под действием света такие материалы генерируют активные частицы — свободные радикалы, — которые разрушают прочные химические связи в молекулах загрязнителей, тем самым обеспечивая процесс очистки. В то же время существующие технологии сборки фотокатализаторов трудоемкие и дорогие, что ограничивает их широкое применение.

Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва) разработали гибридный фотокатализатор, объединяющий органический и неорганический компоненты. В его состав входят порфирины — окрашенные соединения, способные поглощать видимый свет, — а также наночастицы дисульфида молибдена толщиной в один атомный слой. Чтобы соединить эти компоненты, авторы использовали метод нековалентной самосборки, когда между молекулами и частицами устанавливаются слабые взаимодействия, но, поскольку таких взаимодействий много, все компоненты оказываются вовлечены в химический процесс. Так как фотокатализатор самособирается при последовательном смешивании всех компонентов и практически не расходует энергию, разработанный подход удешевляет синтез фотокатализаторов. Кроме того, такой метод одновременно решает проблему их утилизации: компоненты материала легко разделяются в подходящем растворителе, а потому могут использоваться повторно.

В отличие от других известных твердых фотокатализаторов на основе оксида графена, при облучении ультрафиолетовым или видимым светом синтезированный материал проявлял «умные» свойства и генерировал разные активные частицы: гидроксильные радикалы, водород-радикалы и синглетный кислород, обладающий более высокой энергией, чем молекулярный кислород. При этом под действием видимого света образцы не испускали собственного излучения, тогда как при облучении ультрафиолетом они светились красным. Таким образом, по наличию или отсутствию излучения ученые понимали, какие активные частицы испускает фотокатализатор, и могли контролировать режим его работы. При облучении видимым светом вместе с ультрафиолетом материал разрушал модельный органический загрязнитель с эффективностью более 90% всего за полчаса.

Ученые исследовали также антибактериальные свойства нового материала. Для этого образец нанесли на чашку Петри с колониями Escherichia coli — бактерии, в большом количестве обитающей в сточных водах. Оказалось, что за 10 минут фотокатализатор с помощью видимого света уничтожил 34% бактериальных колоний, тогда как контрольный образец без фотокатализатора справился только с 3% колоний.

«Мы уверены, что предложенный метод синтеза позволит добиться будущего прогресса в области создания "зеленых" фотокатализаторов. Он позволит снизить нагрузку на окружающую среду, поскольку уменьшит затраты на их производство и даст возможность повторно применять компоненты отработанных материалов в новых наноустройствах. В дальнейшем мы планируем использовать более сложные сочетания различных двумерных наночастиц и молекул-хромофоров для создания управляемых "умных" материалов, способных к переключению между режимом фотокатализа и режимом катализаторов и искусственных ферментов, чтобы применять их для замкнутых химических циклов, в которых отходы химического производства утилизируются или идут в переработку одновременно с выпуском продукции», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Мария Калинина, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН.