Ученые из Дагестанского государственного университета и Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН создали гибридные полимерные мембраны, ускоряющие химические превращения под действием световой и механической энергии. Разработка может стать основой дешевых и биосовместимых катализаторов для очистки сточных вод от продуктов химического синтеза. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers, который издается Многопрофильным институтом цифровых публикаций (MDPI).
Промышленные предприятия зачастую сбрасывают в сточные воды загрязняющие органические веществ (красители, пестициды), для очистки от которых можно использовать фотокатализаторы — материалы, ускоряющие химические реакции под действием света. При облучении светом в катализаторе генерируются свободные носители зарядов (электроны и дырки), которые участвуют в поверхностных реакциях окисления и восстановления, что приводит к разложению загрязнителей, содержащихся в воде. Однако коммерческое использование фотокатализаторов ограничено, поскольку при попадании в воду их наночастицы сами могут стать загрязнителями.
Поэтому в качестве носителя наночастиц фотокатализаторов часто применяются полимерные мембраны на основе поливинилиденфторида (ПВДФ, фторсодержащего полимера), которые отличаются прочностью, нетоксичностью, а также устойчивостью к химикатам и высоким температурам. При этом из-за низкой каталитической активности этого полимера ученые синтезируют на его основе гибридные материалы, включая в них менее «инертные» материалы.
Ученые из Дагестанского государственного университета и Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН выбрали иной способ: вместо того, чтобы добавлять фотокаталитически активные наночастицы в состав полимера, они синтезировали гибридный фотокатализатор на основе ПВДФ и гидратированной соли нитрата кальция. Чтобы сформировать мембрану из раствора этих веществ, авторы исследования использовали метод электропрядения: они распыляли смесь компонентов под электрическим напряжением с помощью сверхтонкого дозатора, чтобы струи сформировали сеть из полимерных волокон.
Анализ структуры полученного материала показал, что между волокнами мембраны и молекулами гидрированной соли образовалась плотная сеть водородных связей, которая не характерна для чистого полимера. При этом из-за модификации полимер стал чувствительным к свету: при его действии в материале формировались свободные носители зарядов, необходимые для участия в окислительно-восстановительных реакциях. Водородные связи в такой структуре действуют как транспортные мостики для эффективной миграции свободных носителей к поверхностным активным центрам, где они могут участвовать в химических превращениях, тем самым обеспечивая высокую фотокаталитическую активность.
Авторы исследования протестировали эффективность полученного материала, использовав его для ускорения реакции разложения раствора под названием «Метиленовый синий», который применяется в медицине в качестве антисептика, а также в микробиологии для окрашивания клеток бактерий. Вне зависимости от того, выступал ли «фоном» для реакции видимый свет или ультрафиолет, итогом становилась активизации фотокатализатора, однако если в первом случае за один час разложилось 44% красителя, то во втором — 89%, тогда как для чистого немодифицированного катализатора никакой активности не наблюдалось.
«Одним из преимуществ нашего материала является то, что он дает возможность управлять активностью катализатора и скоростью реакции: предложенный нами полимер может быть активирован с помощью внешнего механического воздействия, например давления раствора или ультразвука. В дальнейшем мы планируем провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить, что активность полимера повышается именно благодаря настройке его структуры водородными связями», — цитирует Российский научный фонд руководителя проекта, кандидата химических наук Фарида Оруджева.
Источник фото — ecoproektstroy.ru
