Ведущие ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ под руководством Ильи Завидовского, совместно с российскими и зарубежными коллегами, добились заметного успеха в области экологичных технологий очистки воды. Их исследования позволили выявить структуру вещества, обладающего рекордной фотокаталитической активностью в видимом спектре солнечного излучения. Этот значимый шаг открывает новую эру создания катализаторов, способных эффективно справляться с органическим загрязнением воды — от красителей и нефтепродуктов до резистентных фармацевтических соединений и пестицидов.
Проблемы загрязнения воды и вызовы современности
Согласно аналитике Росгидромета, ежегодно на территории России фиксируется более 2,5 тысяч случаев высокого и чрезвычайно высокого загрязнения водоемов. Основные источники токсинов — промышленные предприятия, напрямую сбрасывающие в реки и озера химические соединения. Значительная их часть — стойкие органические вещества, удаление которых традиционными средствами становится все менее эффективным. Усиливающаяся нагрузка на экосистему требует новых подходов к очистке воды, ориентированных на экологическую безопасность и высокую производительность.
Фотокатализ: решение при поддержке солнечной энергии
Фотокаталитические технологии обретают все большую популярность как альтернатива энергозатратным классическим способам очистки. Суть метода — использование солнечного света для запуска реакций разложения вредных органических соединений в воде. Однако на данный момент большинство фотокатализаторов способны работать лишь под воздействием ультрафиолетовой части спектра, на которую приходится лишь около 5% общей энергии солнечного излучения. Оставшиеся 50% — энергию видимого света — существующие материалы практически не задействуют, что ограничивает их эффективность.
Для изменения этой ситуации требуется тонкая настройка электронной структуры катализатора, чтобы он поглощал не только ультрафиолет, но и видимый свет. При этом стандартные химические методы зачастую не дают желаемого результата: они сложны для реализации, недостаточно контролируемы по составу и могут приводить к образованию нежелательных побочных соединений, снижающих каталитическую активность.
Передовые методы синтеза: лазерная абляция для чистоты и эффективности
Исследовательская группа МФТИ выбрала инновационный подход — фемтосекундную лазерную абляцию в жидкой среде. В процессе мощные короткие импульсы лазера испаряют вещество с поверхности исходного материала, после чего оно конденсируется в виде коллоидных наночастиц с уникальными физико-химическими свойствами. Главное преимущество метода — отсутствие поверхностно-активных добавок, что обеспечивает экологичность процесса и чистоту конечного продукта, а растворителем служит обычная вода.
Выбор материалов: пентаоксид ниобия и ниобат лития
В экспериментальной части были выбраны два соединения ниобия: пентаоксид ниобия и ниобат лития. Лазерное воздействие по-разному повлияло на их структуру. Пентаоксид ниобия при абляции полностью теряет свою кристаллическую решетку и переходит в аморфное состояние. В противоположность ему, ниобат лития сохраняет стабильную кристаллическую основу и обзаводится множеством управляемых точечных дефектов.
Как отмечает Илья Завидовский, именно этот путь оказался наиболее перспективным: материал, в котором сохранена кристаллическая структура, но искусственно введены дефекты, обладает уникальными свойствами. Аморфные материалы часто становятся ловушкой для фиксации зарядов, рождённых светом, и нейтрализуют их прежде, чем они успевают запустить нужные реакции. Контролируемые дефекты в кристаллическом каркасе, напротив, позволяют эффективно захватывать заряд и способствуют их долгому существованию, обеспечивая тем самым максимальную результативность.
Достижения ― путь к очистке воды будущего
Результаты опытов впечатляют: наночастицы на основе ниобата лития повысили скорость фотокаталитического разрушения красителей в 2,3 раза в сравнении с аморфным оксидом ниобия. Уже за 150 минут реакции удавалось удалять до 90% загрязняющих веществ. Такой высокий показатель демонстрирует огромный потенциал нового катализатора для борьбы с самыми распространенными органическими загрязнителями.
В ходе процесса наночастицы ниобата лития под действием видимого света формируют реакционноспособные формы кислорода — гидроксильные радикалы и супероксид-анионы. Именно эти частицы оперативно разрушают сложные органические соединения, очищая воду до экологически безопасного уровня.
Будущее исследований и возможности масштабирования
Данная работа дает уникальное понимание того, как исходные свойства катализаторов и методы их обработки могут определять их дальнейшую эффективность. Разработанная технология открывает широкие перспективы для создания новых композиций катализаторов, способных работать под естественным освещением. Ученые планируют продолжить эксприменты, расширив спектр исследуемых материалов, а также адаптировать полученные нанокатализаторы для промышленного применения на очистных сооружениях.
К проекту подключились специалисты МФТИ, МИФИ, ЮЗГУ (Курск), ИХТРЭМС КНЦ РАН (Апатиты, Мурманская область), ПНИПУ (Пермь), а также исследователи XPANCEO из ОАЭ. Все исследования ведутся при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
По мнению ученых, разработанная технология способна стать основой экологичных решений для водоочистки по всему миру, обеспечив устойчивое развитие и защиту здоровья будущих поколений.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
