Свет против органики: фотоочистка воды от антибиотиков дала неожиданный сбой
Фотокатализатор стал лучше поглощать свет, но хуже очищать воду. Ученые нашли неожиданную причину химического парадокса.
Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail
Можно ли быстрее и эффективнее очистить загрязненную органикой воду, заставив специальный фотокатализатор активнее поглощать свет? Эксперименты ученых Института химии растворов имени Крестова РАН показали, что ответ не так прост.
Исследователи создали композиты на основе титаната стронция с добавлением оксида ниобия (SrTiO3/Nb2O5) и проверили их способность разрушать органические загрязнители. В качестве «тестовых целей» взяли краситель родамин Б и антибиотик тетрациклин. Образцы растворов облучали ультрафиолетом и видимым светом.
Фотокатализаторы работают за счет света: его энергия запускает реакции на поверхности материала, в результате которых молекулы загрязнителей превращаются в безопасные неорганические соединения — углекислый газ, воду, нитраты, соли аммония. Но по ходу эксперимента что-то пошло не так.
Добавили оксид ниобия — и материал начал терять темп
В опытах с видимым светом характерный сигнал тетрациклина у композита с 1% оксида ниобия исчезал за 30 минут. При 10% добавки требовалось, как ни странно, уже 40 минут. У исходного титаната стронция показатель составлял 20 минут. Иными словам, действовал принцип «чем лучше, тем хуже».
На этом сюрпризы не закончились. Оксид ниобия действительно менял оптические характеристики материала: оптическая ширина запрещенной зоны сокращалась с 3,22 до 2,49 эВ. Казалось бы, это должно помогать катализатору эффективнее использовать свет. Но фактическая фотокаталитическая активность, наоборот, снижалась.
Причина — на поверхности
При добавлении оксида ниобия удельная площадь поверхности материала резко уменьшалась — с 22,7 до 3,1 м²/г. То есть свет материал поглощал лучше, но количество доступных участков, где непосредственно могли происходить реакции с загрязнителями, сокращалось.
Для другого теста 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, впитывая свет, неизбежно сокращалась и сужала «окно возможностей» катализатора.
Анализ материала указал еще на несколько факторов. Исследователи обнаружили образование поверхностных карбонатных соединений и дефекты на границах компонентов. Они могли дополнительно мешать переносу заряда к поверхности и тем самым снижать эффективность фотокатализа.
Наблюдается важный для разработки очистителей воды парадокс: улучшение одного свойства материала способно ухудшить конечный результат. Для эффективного фотокатализатора недостаточно добиться 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 трактуют как доказательство полной минерализации антибиотика. Сам по себе этот показатель говорит о превращении исходного вещества, но не подтверждает, что все продукты реакции безвредны.
Проблема имеет глобальное практическое значение. Попадание остатков антибиотиков в окружающую среду рассматривается в контексте распространения антимикробной устойчивости патогенных микроорганизмов. ВОЗ рассматривает загрязнение вод антибиотиками как экологическую проблему.
Исследование опубликовано в Journal of Composites Science. Авторы использовали целый набор методов анализа — рентгеновскую дифракцию, рамановскую спектроскопию, электронную микроскопию, измерение удельной поверхности, оптические и люминесцентные методы.
По теме на Hi-Tech Mail:
О российских микрокапсулах для удаления красителя метиленовый синий («синька») из воды читайте здесь.
Другой актуальный материал рассказывает о гибридном адсорбенте для удаления микроорганизмов и органики из речной воды. Средство испытали в тропиках.
Еще одна публикация посвящена «молекулам-наручникам» — необычной технологии удаления особо стойких загрязнителей, в том числе пресловутых «вечных химикатов» (PFAS).
экологияроссийские ученыеХимияПоделиться
