Пресс-служба НИТУ МИСИС сообщает о совместной с китайскими коллегами разработке — фотокатализаторе для очистки вод от фенола, одного из самых распространённых и токсичных загрязнителей.
При воздействии ультрафиолета материал на основе гексагонального нитрида бора окисляет фенол до диоксида углерода. Нитрид бора химически стабилен, а его свойствами можно управлять, модифицируя структуру.
Статья об исследовании опубликована в Journal of Water Process Engineering.
Фенолы — одни из наиболее распространённых загрязнителей поверхностных вод. Чаще всего это часть стоков предприятий нефтеперерабатывающей, сланцеперерабатывающей, лесохимической, коксохимической, анилинокрасочной промышленности. Сброс фенольных вод убивает водоёмы и водотоки.
Очистка производственных стоков от фенолсодержащих соединений — важная и одновременно трудно решаемая проблема. Работать приходится со множеством химических соединений в различных условиях. Технологические процессы очистки сложны и дороги — это связано с использованием дефицитных реагентов, последующей их регенерацией и необходимостью утилизации образующихся токсичных отходов. Так что поиск новых эффективных технологий очистки фенолсодержащих сточных вод — актуальнейшее направление исследований.
Сотрудники Университета МИСИС совместно с коллегами из Университета Фудань (Китай) предлагают использовать в качестве фотокатализатора для очистки вод от фенола порошок гексагонального нитрида бора (h-BN) — двумерный материал с относительно высокой химической стабильностью и развитой поверхностью. Поскольку химия процесса водоочистки происходит на границе раздела поверхности катализатора и водного раствора — чем больше площадь поверхности, тем эффективнее процесс.
«За счёт простого оборудования — уф-лампы, и магнитной мешалки, и отсутствия необходимости в дополнительных химически активных окислителях, избыток которых может пагубно влиять на окружающую среду, одной из перспективных технологий очистки воды от фенола является фотокаталитическое окисление органики. Эффективность технологии тесно связана с разработкой материалов — фотокатализаторов, благодаря которым происходит вся «магия» процесса. Эти вещества добавляют в загрязнённую воду. При воздействии на них света происходит поглощение фотонов с возбуждением валентных электронов, энергии которых становится достаточно для их участия в различных химических процессах», — рассказал научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» Университета МИСИС Денис Лейбо.
Как отмечают исследователи, недостатком h-BN в роли фотокатализатора является большая ширина запрещённой зоны — энергетического зазора, который необходимо преодолеть электрону для перехода в возбуждённое состояние. Чем больше эта величина, тем большей энергии свет приходится использовать при проведении процесса. Для необработанного гексагонального нитрида бора необходим дальний ультрафиолет, что означает необходимость использования специальных источников излучения. Для уменьшения ширины запрещённой зоны ученые использовали метод шарового размола
порошка — механическую обработку, при которой происходят измельчение и пластическая деформация вещества.
«Мы обнаружили, что за счёт создания большого количества дефектов структуры нитрида бора происходит снижение ширины запрещённой зоны. В результате такого изменения также происходит увеличение поглощения света и времени жизни электронов в возбуждённом состоянии. При воздействии ультрафиолетового света на наш материал в воде образуются активные гидроксильные радикалы, которые окисляют фенол до диоксида углерода и воды», — говорит Денис Лейбо.
В своей работе в качестве источника возбуждения электронов учёные использовали ультрафиолетовый свет. В дальнейшем исследователи планируют перейти к видимому свету за счёт использования гетероструктурных материалов на основе дефектного нитрида бора и других двумерных полупроводников, чтобы фотокаталитическое окисление происходило под действием света видимого диапазона частот.