От Работа открывает путь к созданию «умных» катализаторов, способных эффективнее разлагать опасные органические соединения в воде. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ), результаты опубликованы в журнале Molecules.
Органические красители — распространённые загрязнители, которые активно применяются в текстильной и фармацевтической промышленности. Они практически не разлагаются естественным образом и наносят ощутимый вред экосистемам, поэтому в мире растёт интерес к новым технологиям очистки воды. Перспективное направление — многофункциональные материалы, которые одновременно используют энергию света (фотокатализ) и механическое воздействие (пьезокатализ).
Авторы работы синтезировали два типа слоистого оксида Bi–Ti–Nb, используя: твердофазный метод, метод расплавленных солей. Они сравнили структуру полученных образцов и количество кислородных вакансий — дефектов кристаллической решётки, которые напрямую влияют на каталитическую активность. После этого исследователи протестировали материалы на разложение модельного загрязнителя — метиленового синего — под действием света, ультразвука и их комбинации. Результаты оказались показательными:
– Фотокатализ: образец, полученный твердофазным методом, разрушил около 84% красителя за час.
– Материал, синтезированный в расплавленных солях, показал лишь 46%.
– Пьезокатализ: оба образца работали почти одинаково — 77–78% разложения.
– Комбинированный пьезофотокатализ дал максимальный эффект: 92–93%.
Учёные объясняют это тем, что дефекты кристаллической решётки усиливают фотокаталитические процессы, но ослабляют пьезоэлектрическое поле, возникающее под воздействием ультразвука. Именно баланс этих эффектов определяет общий результат.
По словам руководителя проекта, исследование демонстрирует, что управление дефектами на поверхности материала позволяет целенаправленно настраивать его каталитические свойства: «Мы показали, что поверхностные дефекты оказывают противоположное влияние на фотокатализ и пьезокатализ, но их сочетание приводит к выраженной синергии. Это открывает путь к созданию катализаторов, свойства которых можно адаптировать под конкретные условия очистки воды. В перспективе мы планируем развивать гибридные материалы нового поколения, способные не только разлагать загрязнители, но и накапливать вырабатываемую энергию».
Разрабатываемый подход к «инженерии дефектов» может стать основой для новых технологий экологической очистки, которые будут эффективны даже против трудноразлагаемых органических соединений. Ученые рассчитывают, что такие материалы помогут создать более устойчивые и гибкие системы водоподготовки для промышленности и коммунальных объектов.