Фотокатализатор стал более эффективным в поглощении света, но менее эффективным в очистке воды. Ученые выявили неожиданную причину этого химического парадокса.
Можно ли быстрее и эффективнее очистить воду, загрязненную органическими веществами, заставив специальный фотокатализатор активнее поглощать свет? Эксперименты ученых Института химии растворов имени Крестова РАН показали, что ответ не так однозначен.
Исследователи разработали композиты на основе титаната стронция с добавлением оксида ниобия (SrTiO3/Nb2O5) и проверили их эффективность в разрушении органических загрязнителей. В качестве «тестовых объектов» выбрали краситель родамин Б и антибиотик тетрациклин. Образцы растворов подвергали облучению ультрафиолетом и видимым светом.
Фотокатализаторы функционируют за счет света: его энергия активирует реакции на поверхности материала, в ходе которых молекулы загрязняющих веществ преобразуются в безопасные неорганические соединения — углекислый газ, воду, нитраты, соли аммония. Однако в процессе эксперимента что-то пошло не так.
Добавление оксида ниобия — и материал начал терять эффективность
В опытах с видимым светом характерный сигнал тетрациклина у композита с 1% оксида ниобия исчезал за 30 минут. При 10% добавлении требовалось, по странному стечению обстоятельств, уже 40 минут. У исходного титаната стронция этот показатель составлял 20 минут. Иными словами, действовал принцип «чем лучше, тем хуже».
На этом сюрпризы не закончились. Оксид ниобия действительно менял оптические характеристики материала: оптическая ширина запрещенной зоны уменьшалась с 3,22 до 2,49 эВ. Казалось бы, это должно способствовать более эффективному использованию света катализатором. Но фактическая фотокаталитическая активность, наоборот, снижалась.
Причина — на поверхности
При добавлении оксида ниобия удельная площадь поверхности материала существенно уменьшалась — с 22,7 до 3,1 м²/г. То есть свет материал поглощал лучше, но количество доступных участков, где могли происходить реакции с загрязнителями, сокращалось.
Для другого испытания эффект также оказался заметным: при УФ-облучении константа разложения родамина Б снизилась с 0,0136 мин⁻¹ для чистого титаната стронция до 0,0035 мин⁻¹ для композита с 10% Nb₂O₅. Поверхность оказалась своеобразной «шагреневой кожей», которая, поглощая свет, неизбежно сокращалась и сужала «окно возможностей» катализатора.
Анализ материала выявил еще несколько факторов. Исследователи обнаружили образование поверхностных карбонатных соединений и дефекты на границах компонентов. Эти факторы могли дополнительно препятствовать переносу заряда к поверхности и тем самым снижать эффективность фотокатализа.
Наблюдается важный для разработки очистителей воды парадокс: улучшение одного свойства материала может ухудшить конечный результат. Для эффективного фотокатализатора недостаточно достичь хорошего поглощения света — необходимо одновременно сохранить подходящую площадь реакционной поверхности и обеспечить условия для протекания фотокаталитического процесса.
При этом исчезновение спектрального сигнала тетрациклина ученые не интерпретируют как подтверждение полной минерализации антибиотика. Этот показатель говорит о превращении исходного вещества, но не гарантирует, что все продукты реакции безопасны.