Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, работая вместе с учеными из России и ОАЭ, разработали структуру вещества, демонстрирующую наилучшую эффективность в фотокатализе, осуществляемом в видимой части спектра. Это позволяет создавать передовые, экологически безопасные катализаторы для удаления органических загрязнений из воды, включая красители, лекарственные средства, пестициды, нефть и другие подобные вещества. Результаты работы опубликованы в журнале Catalysis Science and Technology.
Согласно информации, предоставленной Росгидрометом, в России ежегодно регистрируется свыше 2,5 тысяч случаев загрязнения поверхностных вод высокой и экстремально высокой степени. Основной причиной попадания токсичных веществ в реки и озера является деятельность промышленных предприятий. Значительную часть этих загрязнителей составляют органические соединения, такие как красители, фармацевтические препараты, пестициды и другие.
Фотокатализ представляет собой многообещающую технологию, предназначенную для очистки воды и воздуха. Она основана на использовании энергии солнечного света для расщепления вредных органических соединений. Однако, большинство существующих фотокатализаторов эффективны только при воздействии ультрафиолетового излучения, которое составляет лишь около 5% от общего солнечного спектра. Таким образом, около 50% энергии, относящейся к видимому диапазону, не используется.
Для стимулирования взаимодействия с видимым светом необходимо изменить электронную структуру материалов, поскольку именно она обуславливает их оптические характеристики. Традиционные подходы к химическому синтезу либо не обеспечивают точного контроля над дефектами в составе материала, либо предполагают применение химических добавок, способных препятствовать работе активных центров.
Учёные из МФТИ нашли способ преодолеть этот барьер, используя фемтосекундную лазерную абляцию в жидкостях для синтеза катализаторов. С помощью мощных лазерных импульсов, испускаемых на очень короткое время, вещество испаряется с поверхности, а затем конденсируется в наночастицы с особыми характеристиками. Благодаря этому методу, исследователи получают стабильный коллоидный раствор катализатора, который не содержит добавок, снижающих поверхностное натяжение, и создан в наиболее экологически безопасном растворителе — воде.
В рамках недавнего исследования ученые провели абляцию (испарение с поверхности) двух материалов на основе ниобия: пентаоксида ниобия и ниобата лития. Результаты эксперимента продемонстрировали, что лазерное воздействие оказывает на них разное влияние: кристаллическая структура пентаоксида ниобия разрушается, и материал переходит в полностью аморфное состояние. Ниобат лития, характеризующийся высокой термодинамической стабильностью, напротив, сохраняет кристаллическую структуру и формирует множество контролируемых дефектов.
«Второй подход оказался наиболее перспективным: он предполагает сохранение кристаллической структуры и намеренное создание в ней локализованные, контролируемые дефекты. Процесс аморфизации приводит к формированию в материале широкий спектр нечетких электронных состояний. Эти состояния действуют как уловители, где заряды, возникающие под воздействием света, мгновенно взаимно нейтрализуются. Однако отдельные дефекты в кристаллической решетке позволяют материалу поглощать видимый свет и эффективно разделять заряды, увеличивая продолжительность их существования. Это дает возможность носителям заряда достичь поверхности наночастицы и преобразовать окружающий кислород и воду в активные формы кислорода: гидроксильные радикалы и супероксид-анионы. И менно они разрушают загрязнители и эффективно очищают воду», — рассказал Илья Завидовский – старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института.
Благодаря использованию нанокатализатора на основе ниобата лития, фотокаталитическая деградация красителя произошла в 2,3 раза быстрее, чем при использовании аморфного оксида ниобия, что обеспечило очистку раствора на 90% в течение 150 минут.
В результате работы стало возможным получить глубокое представление о том, как характеристики материалов, подвергаемых абляции, влияют на их изменение. В настоящее время исследователи намерены усовершенствовать эти процессы, проверить применимость метода к другим материалам и расширить технологию для использования в реальных условиях.
В исследовании были задействованы специалисты из МФТИ, МИФИ, ЮЗГУ (Курск), ИХТРЭМС КНЦ РАН (Апатиты, Мурманская область), ПНИПУ (Пермь), XPANCEO (ОАЭ). Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2025-608).
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ