Созданные наночастицы способны разлагать антибиотики и красители в воде под воздействием видимого света. Новая технология в десятки раз превосходит существующие методы очистки.
Исследователи Томского государственного университета и Института физики прочности и материаловедения СО РАН предложили действенное решение одной из актуальных экологических проблем — загрязнения водоемов антибиотиками и синтетическими красителями. Они разработали новые наночастицы на основе титаната цинка, которые под воздействием обычного видимого света (включая солнечный) разлагают опасные органические соединения.
Антибиотики, такие как тетрациклин, и красители, например метиленовый синий, практически не разлагаются в природе. Попадая в сточные воды, они способствуют устойчивости бактерий к лекарственным препаратам и наносят вред экосистеме. Традиционные методы очистки с этими веществами не справляются.
Существующие фотокатализаторы, такие как диоксид титана, имеют два значительных недостатка. Во-первых, они активируются только жестким ультрафиолетовым излучением, что ограничивает их применение. Во-вторых, их эффективность низка из-за быстрой рекомбинации зарядов: положительные и отрицательные частицы внутри материала гасят друг друга, вместо того чтобы вступать в реакцию и разрушать загрязнители.
Чтобы решить эти проблемы, ученые создали гетеропереход — комбинацию оксида металла и титаната цинка. Это позволяет разделять заряды, направляя их по различным «дорогам», что предотвращает их нейтрализацию и значительно повышает эффективность реакции. Кроме того, такая структура смещает чувствительность катализатора в видимую область спектра.
Наночастицы были получены с использованием инновационного метода электроразрыва скрученных проволок из цинка и титана. В отличие от химического синтеза, этот подход является экологически чистым, одностадийным и позволяет получать продукт высокой чистоты с узким распределением по размерам (60–63 нанометра).
Эксперименты подтвердили выдающуюся эффективность разработки. Наночастицы разложили 69,4% антибиотика тетрациклина за час и 82% за два часа. В тестах с красителем метиленовым синим под действием видимого света за 60 минут было уничтожено 92,5% вещества. Для сравнения: эффективность стандартных оксидов цинка и титана в тех же условиях составила всего 15% и 8,5%.
Константа скорости реакции у нового катализатора оказалась на порядок выше, что свидетельствует о более быстром разрушении загрязнителей с самого начала процесса. При этом наночастицы сохранили высокую активность после четырех циклов использования (потеря эффективности составила всего 5%), что подтверждает возможность их многократного применения.
«Наши дальнейшие исследования будут направлены на поиск носителя для нанесения наночастиц, чтобы создать очистные фильтрационные мембраны. Это позволит использовать наночастицы многократно с большей эффективностью, а также масштабировать данную технологию», — заключает младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Валерия Чжоу.
Фото: hi-tech.mail.ru