В сточных водах промышленных и фармацевтических предприятий содержатся красители, с которыми не справляются обычные методы очистки. Ученые из Томского госуниверситета и Института физики прочности и материаловедения СО РАН нашли решение: наночастицы на основе титаната цинка. Как рассказала пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, под действием видимого света они разлагают опасные органические соединения. Результаты исследования опубликованы в международном журнале Journal of Materials Science: Materials in Electronics (Q2, Springer).
Антибиотики (например, тетрациклин) и синтетические красители (вроде метиленового синего) почти не разлагаются в природе. Попадая в водоемы со сточными водами, они накапливаются и вредят здоровью человека, а еще провоцируют устойчивость бактерий к лекарствам. Обычные методы очистки тут бессильны.
Перспективная альтернатива — фотокатализ: под действием света на поверхности наночастиц возникают активные радикалы, разрушающие вредные вещества. Но у распространенных фотокатализаторов (оксида цинка и диоксида титана) есть минусы: они работают в основном под ультрафиолетом, а не при обычном свете; к тому же их положительные и отрицательные заряды быстро гасят друг друга — из‑за этого процесс менее эффективен.
Решить эти проблемы помогает гетеропереход между оксидом металла и титанатом цинка. Такая комбинация разделяет заряды и направляет их по разным «дорогам», а также делает катализатор чувствительным к видимому свету.
Физики из ТГУ и СО РАН создали особые наночастицы на основе титаната цинка. Их получили необычным способом: с помощью электроразрыва двух скрученных проволок — цинковой и титановой — в кислородсодержащей атмосфере. Этот метод лучше химических: он проще, дает более чистый продукт с одинаковыми по размеру частицами и безопаснее для экологии.
В зависимости от диаметра проволок получились два типа частиц: оксид цинка плюс титанат цинка и диоксид титана плюс титанат цинка. Размер частиц — 60−63 нанометра, что в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Ученые проверили, как наночастицы справляются с опасными загрязнителями, например с гидрохлоридом тетрациклина — антибиотиком. При добавлении 50 мг наночастиц на 100 мл воды (при концентрации антибиотика 10 мг/л) за час разложилось 69,4% вещества, а когда количество наночастиц увеличили до 150 мг при той же концентрации антибиотика, за два часа разложилось уже 82% тетрациклина. Для сравнения: без наночастиц под тем же светом за два часа разложилось не более 5% антибиотика.
Аналогичный эксперимент с синтетическим красителем метиленовым синим показал, что за час под видимым светом, похожим на солнечный, наночастицы разложили 92,5% вещества. В тех же условиях чистые оксиды цинка и титана справились лишь на 15% и 8,5% соответственно.
Получается, новые наночастицы не только лучше разлагают загрязнители, но и делают это намного быстрее.
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.
Исследователи выяснили, как работают новые наночастицы. С помощью специальных веществ‑ловушек они подтвердили: под действием видимого (в том числе солнечного) света на поверхности частиц образуются высокоактивные супероксидные и гидроксильные радикалы. Эти частицы атакуют органические молекулы и разрушают их до безопасных компонентов.
Важное преимущество наночастиц — их долговечность: они сохраняют высокую активность даже после четырех циклов использования. Например, после третьего цикла эффективность снизилась всего на 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.
Работа поддержана программой развития ТГУ (стратегический технологический проект «Технологии безопасности») в рамках федеральной программы «Приоритет2030» и государственным заданием ИФПМ СО РАН (№ FWRW-2026−0004).
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новый катализатор экологично удаляет фенолы из воды.
