Ученые ТПУ совместно с коллегами из Китая нашли способ модифицировать фотокатализатор на основе оксида висмута для очистки воды методом фотокатализа. Они синтезировали наноструктуру, которая состоит из нелинейного оптического материала, окруженного оксидом висмута и наночастицами серебра. Это позволило повысить эффективность катализатора.

Результаты исследования специалистов Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ и Университета электронных наук и технологий Китая опубликованы в Journal of Environmental Chemical Engineering.

Фотокаталитическая технология заключается в том, что органические вещества разлагаются на катализаторах до углекислого газа, воды и других простых веществ. Этот процесс запускается под действием искусственного ультрафиолета или солнечного света. Ученые делают ставку на последний. Очищение под влиянием солнечного света особенно эффективно для таких органических загрязнителей как пестициды, эстрогены, вирусы.

Катализатор — вещество, которое ускоряет процесс. При этом сам он в процессе реакции не расходуется, то есть нет необходимости непрерывно добавлять химические вещества в очищаемую воду.

Одним из эффективных фотокатализаторов для данной технологии является оксид висмута: он нетоксичен, имеет низкую стоимость и высокую химическую стабильность. Но есть ряд факторов, ограничивающих его эффективность и использование на практике. Так, катализатор на основе оксида висмута может использовать только малую часть света для катализа — ультрафиолет, а видимый и инфракрасный свет при этом не участвуют в процессе. Потому ученые поставили задачу модифицировать фотокатализатор так, чтобы задействовать в процессе катализа как можно большую часть солнечного спектра.

«У нас в группе накоплен богатый опыт по свойствам и фотокатализу наночастиц серебра. Они имеют малоизвестное уникальное свойство — поглощают разные цвета в зависимости от размера наночастиц. Подобрав оптимальный размер, с помощью таких частиц можно «поймать» существенную часть видимого света. Кроме того, существуют нелинейные оптические материалы, которые способны превращать инфракрасное излучение в более энергетическое — в видимом или ультрафиолетовом диапазоне. Наночастицы, способные повышать частоту света, были покрыты наночастицами оксида висмута и серебра. Синтезированная наноструктура позволяет катализатору эффективно взаимодействовать с водой за счет большой площади поверхности», — рассказывает профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Шеремет.

Действенность катализатора проверялась на экспериментальной базе коллег из Китая, где изучалась его способность разлагать краситель родамин B и антибиотик тетрациклин. Частицы, объединяющие все три элемента — частицу, повышающую частоту света, серебро и оксид висмута, оказались наиболее эффективными.

«При применении усовершенствованной технологии на практике система промышленного масштаба должна будет использовать специальный фотокаталитический реактор. Есть два варианта его функционирования: либо вода перемешивается с наночастицами фотокатализатора для более эффективной работы, либо фотокатализатор фиксируется на поддерживающей подложке, например, мембране или волокнах, через которую пропускается вода», — комментирует еще один автор статьи, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.

Совместная работа над серебряными наноструктурами продолжается. Сейчас томские ученые исследуют фундаментальные процессы фотокатализа на плазмонных наночастицах и недорогие способы изготовления таких систем в рамках программы «Приоритет 2030».