Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета, Дагестанского государственного университета и Университета науки и технологий Шэньси (Китай) модифицировали материал, основанный на сложном оксиде висмута, титана и ниобия, чтобы он мог разлагать органические загрязнители под воздействием света, ультразвука и их комбинации. Такие материалы могут найти применение в создании установок для очистки промышленных сточных вод текстильных и фармацевтических предприятий. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecules.
В природные водоемы и почву попадают органические красители, применяемые в текстильной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической отраслях. Эти соединения характеризуются длительным периодом разложения и оказывают негативное воздействие на экосистемы, снижая концентрацию кислорода в воде и проявляя токсическое действие на живые организмы.
Системы очистки, применяемые на предприятиях, не всегда способны удалять подобные загрязнители, поэтому исследователи разрабатывают новые, более эффективные и экономичные технологии. Среди них особое внимание уделяется материалам, обладающим каталитическими свойствами, например, оксиду висмута, титана и ниобия. Эксперименты показали, под воздействием света и при механической обработке, например, ультразвуком, он инициирует процессы расщепления сложных органических молекул на безопасные соединения. Тем не менее, влияние структуры материала и параметров его синтеза на его эффективность до настоящего времени оставалось недостаточно изученным.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, совместно с другими исследователями, разработали образцы слоистого оксида, включающего висмут, титан и ниобий. Синтез проводился с использованием двух различных методик: твердофазного и метода расплавленных солей, что дало возможность сопоставить воздействие условий синтеза на структуру и каталитические характеристики полученного материала.
На первом этапе исходные оксиды металлов измельчали в ступке, после чего высушивали, прессовали и подвергали прокаливанию при температуре 900°C. При использовании второго метода материал изготавливали посредством расплавленных солей: смесь оксидов смешивали с хлоридами калия и натрия, измельчали, прессовали и прокаливали при 800°C. Полученный порошок промывали горячей водой для полного удаления солей и затем высушивали. Данный способ позволил получить два образца оксида, содержащего висмут, титан и ниобий, с различной структурой и дефектностью, что в дальнейшем отразилось на их каталитической активности.
Синтезированный методом твердофазного взаимодействия материал продемонстрировал меньшую структурную однородность и содержал больше дефектов кристаллической структуры, таких как кислородные вакансии, по сравнению с образцом, изготовленным методом расплавленных солей. Для определения влияния этих различий на каталитические характеристики, ученые провели испытания обоих материалов в реакции разложения метиленового синего – распространенного органического красителя, используемого в текстильной промышленности. Исследования выполнялись в трех режимах: под воздействием света (фотокатализ), под действием ультразвука (пьезокатализ) и при их совместном применении (пьезофотокатализ).
Исследования продемонстрировали, что под воздействием света образец, полученный методом твердофазного синтеза, разрушал приблизительно 84% метиленового синего в течение часа. Материал, изготовленный методом расплавленных солей, проявил меньшую активность — его эффективность составила около 46%. При обработке ультразвуком оба образца показали близкие результаты — 77% и 78% соответственно. Наилучшие показатели были получены при одновременном воздействии света и ультразвука, когда степень разложения составила 93% и 92% соответственно.
Исследования показали, что для образцов, полученных методом твердофазного синтеза, общий эффект от фото- и пьезокатализа был меньше, чем сумма результатов каждого процесса по отдельности. Подобное явление связано с тем, что дефекты в кристаллической структуре повышают интенсивность фотокаталитических реакций, но снижают силу пьезоэлектрического поля, возникающего при воздействии ультразвука.
Вместо этого, для материала, синтезированного методом расплавленных солей, совместное применение света и ультразвука обеспечило синергетический эффект, который оказался выше, чем сумма фотокаталитической и пьезокаталитической активности. В обоих случаях важную роль в деструкции красителя играли гидроксил-радикалы – сильные окислители, способные разрушать органические молекулы до безопасных соединений.
«В центре нашего исследования лежит инженерия дефектов. Мы продемонстрировали, что управление дефектами в кристаллической структуре позволяет целенаправленно модифицировать каталитическую активность вещества. Кроме того, впервые установлено, что поверхностные дефекты оказывают разное воздействие на фотокатализ и пьезокатализ, однако их совместное использование приводит к выраженному синергетическому эффекту. Это открывает возможности для создания «интеллектуальных» катализаторов, в частности, для очистки воды, свойства которых можно будет адаптировать к конкретным условиям эксплуатации. В перспективе мы намерены продолжить работу в данном направлении, сосредоточившись на разработке гибридных пьезофотокатализаторов нового поколения – материалов, способных не только очищать воду, но и накапливать энергию, выделяющуюся в процессе. Также изучаются возможности увеличения масштаба производства и внедрения подобных систем в действующие установки для очистки промышленных и сточных вод, – отметила профессор кафедры физической органической химии Санкт-Петербургского государственного университета Ирина Зверева.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ