Одна из острых экологических проблем — загрязнение водоемов антибиотиками и красителями из сточных вод промышленных и фармацевтических предприятий. Обычные методы очистки часто бессильны против таких веществ. Ученые Томского государственного университета и Института физики прочности и материаловедения СО РАН предложили решение: наночастицы на основе титаната цинка, которые под действием видимого света разлагают опасные органические соединения.
Антибиотики, например, тетрациклин, и синтетические красители, такие как метиленовый синий, практически не разлагаются в природе. Попадая со сточными водами в водоемы, они накапливаются, вызывают устойчивость бактерий к лекарствам и наносят вред здоровью человека. Традиционные методы очистки с ними не справляются. Одной из самых перспективных альтернатив считается фотокатализ — технология, при которой под действием света на поверхности наночастиц образуются активные радикалы, разрушающие органические молекулы.
Обычные фотокатализаторы — оксид цинка или диоксид титана— имеют два недостатка. Во-первых, они работают, в основном, при ультрафиолете, а не под видимым светом. Во-вторых, в таких фотокатализаторах положительные и отрицательные заряды быстро сталкиваются и гасят друг друга, вместо того, чтобы образовывать активные радикалы. Это снижает эффективность.
Обе эти проблемы решает создание гетероперехода между оксидом металла и титанатом цинка. Комбинация разных материалов позволяет разделять положительные и отрицательные заряды, направляя их по разным «дорогам», и смещает чувствительность катализатора в видимую область спектра.
Гетерофазные (состоящие из разных фаз) наночастицы на основе титаната цинка получил научный коллектив физиков ТГУ и СО РАН. Они произведены методом электроразрыва двух скрученных проволок — цинковой и титановой — в кислородсодержащей атмосфере. Такой метод, в отличие от химических методов синтеза, имеет важные преимущества: одностадийность, высокую чистоту продукта, узкое распределение частиц по размерам и экологическую безопасность.
В зависимости от диаметра проволок получены два типа частиц: оксид цинка плюс титанат цинка и диоксид титана плюс титанат цинка. Средний размер частиц — 60–63 нанометра, что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Для проверки эффективности на реальном опасном загрязнителе ученые взяли гидрохлорид тетрациклина — широко применяемый антибиотик. При концентрации 10 мг/л и добавлении 50 мг наночастиц оксида цинка с титанатом цинка на 100 мл воды за час разложилось 69,4% антибиотика. Когда количество катализатора увеличили до 150 мг (при той же концентрации антибиотика 10 мг/л), эффективность за два часа достигла 82%. Для сравнения: без наночастиц под тем же светом за два часа разложилось не более 5% тетрациклина.
Эксперименты также показали, что под действием видимого света, имитирующего солнечный, в присутствии этих наночастиц за час разложилось 92,5% метиленового синего — синтетического красителя, который тоже трудно удалять из воды. Чистые оксиды цинка и титана в тех же условиях показали эффективность 15% и 8,5% соответственно.
Константа скорости реакции (то есть, как быстро процесс идет каждую минуту) для наночастиц оксида цинка с титанатом цинка оказалась на порядок выше — значит, загрязнители не просто разлагаются в большей степени, но и делают это намного быстрее с самого начала.
Такая эффективность за час — это отличный лабораторный результат. Наши дальнейшие исследования запланированы в сторону поиска носителя для нанесения наночастиц, для создания очистных фильтрационных мембран. Это решение позволит использовать наночастицы многократно с большей эффективностью, а также масштабировать данную технологию,
— рассказывает младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Валерия Чжоу.
Исследователи также выяснили механизм действия новых наночастиц. С помощью веществ-ловушек они подтвердили, что ключевую роль играют супероксидные и гидроксильные радикалы — высокоактивные частицы, образующиеся на поверхности наночастиц под действием видимого света, в том числе солнечного. Они атакуют органические молекулы и разрушают их до безопасных компонентов. Важно, что наночастицы сохранили высокую активность после четырех циклов использования: к примеру, после третьего цикла снижение составило всего 5%.
Такой результат свидетельствует о возможности многократного использования наночастиц. Дальнейший поиск матрицы-носителя позволит сформировать материал, который также будет активен в течение нескольких циклов, но с меньшими потерями,
— отмечает Валерия Чжоу.
Работа поддержана программой развития ТГУ (стратегический технологический проект «Технологии безопасности») в рамках федеральной программы «Приоритет 2030» и государственным заданием ИФПМ СО РАН (№ FWRW-2026-0004).
Статья о разработке и исследовании свойств новых наночастиц опубликована в международном журнале Journal of Materials Science: Materials in Electronics.
Источник: Минобрнауки России
