Ученые из Ивановского государственного химико-технологического университета синтезировали новые фотокатализаторы, способные превращать кислород в его активную форму под действием видимого света. Такие молекулы кислорода могут использоваться для разложения органических соединений до состояния воды и углекислого газа.
Сейчас для расщепления токсичных веществ применяют ультрафиолетовые лампы, но переход на видимый свет позволит удешевить технологию в 65–70 раз. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemPlusChem.
В результате работы текстильных и фармацевтических предприятий образуются химические отходы, опасные для окружающей среды. В их числе – ароматические углеводороды (бензол, нафталин), которые для повышения экологической безопасности необходимо расщеплять до нетоксичных соединений – воды и углекислого газа. Как правило, такие реакции проводят с помощью синглетного кислорода – молекулы с более высокой энергией, чем у обычного кислорода. Благодаря этой энергии синглетный кислород активнее соединяется с органическими веществами и сильнее окисляет их, из-за чего последние разрушаются. С помощью синглетного кислорода также можно окислять сульфиды, образующиеся при производстве нефтепродуктов, до сульфоксидов, входящих в состав многих медицинских препаратов.
Сейчас синглетный кислород получают, в основном, с помощью ультрафиолетовых ламп и металлических катализаторов, однако этот способ опасен для многих водных организмов (в том числе фитопланктона, которым питаются рыбы). Более безопасный способ получения синглетного кислорода предложили ученые Ивановского государственного химико-технологического университета. Авторы синтезировали шесть фотокатализаторов — соединений, которые генерируют синглетный кислород под действием видимого света (солнечного или LED-ламп). Для этой цели ученые использовали бромид бора и органический реактив фталонитрил, получаемый из фракций нефти. Из этих веществ ученые получили краситель красно-розового цвета, который затем взаимодействовал с производными ароматических карбоновых кислот и фенола с образованием фотокатализаторов.
Авторы проверили, насколько хорошо фотокатализаторы образуют синглетный кислород из обычного, растворив их в этиловом спирте и на 16 часов поместив под свет LED-лампы. Эксперимент показал, что на свету фотокатализаторы превращали обычный кислород в синглетный с эффективностью от 49% до 62%. Для сравнения: катализаторы на основе соединений титана и вольфрама обеспечивают эффективность превращения порядка 30%.
Новые фотокатализаторы можно будет использовать на очистных сооружениях, где под влиянием света малой мощности от LED-ламп они будут превращать обычный кислород в синглетную форму. Последняя, в свою очередь, будет разрушать полупродукты лекарств и ароматические углеводороды до воды и углекислого газа. Такое решение удешевит процесс очистки, поскольку LED-лампы дешевле ультрафиолетовых в среднем в 65–70 раз.
"Мы планируем протестировать фотокатализаторы с разной химической структурой, а также испытать их в паре с другими веществами, разлагающими загрязнители, например диоксидом титана, нитридом углерода и графеном. Это позволит улучшить не только свойства используемых сейчас фотокатализаторов, но и разработать новые, и тем самым усовершенствовать технологии разложения токсичных химических соединений в воде", – цитирует Российский научный фонд кандидата химических наук Романа Скворцова.
По материалам globalenergyprize.org
