Оптимізований механохімічний процес створює багатофункціональні композитні частинки, здатні очищати воду від забруднювачів.
Вчені все частіше звертаються до сонячного світла як потужного інструменту для очищення забрудненої води. Фотокаталізатори можуть використовувати сонячну енергію для розщеплення шкідливих забруднювачів, тоді як фототермічне випаровування застосовує ту ж енергію для швидкого нагрівання і випаровування забрудненої води, яка потім конденсується у чисту питну рідину.
Незважаючи на перспективність цих методів, вони часто залежать від дорогих або складних у виробництві матеріалів, що обмежує їхнє широкомасштабне застосування. Це спричинило глобальні зусилля зі створення одного доступного й ефективного матеріалу, здатного виконувати кілька завдань очищення — бажано з ресурсів, які інакше стали б відходами.
У революційному дослідженні вчені з Технологічного інституту Нагої (Nagoya Institute of Technology, NITech) у Японії знайшли спосіб перетворити звичайні пластикові відходи на потужний новий інструмент для отримання чистої води. Під керівництвом доцента Такашi Шіраї (Takashi Shirai) команда — у складі д-ра Куніхіко Като (Kunihiko Kato), д-ра Юнзі Сін (Yunzi Xin) та Юпінга Сю (Yuping Xu) — створила багатофункціональні композитні частинки, які можуть одночасно очищати та опріснювати воду, використовуючи сонячне світло.
Їхня робота нещодавно опублікована у журналі ACS Applied Materials & Interfaces.
Механохімічний синтез за допомогою планетарної кульової млини
Для створення цього інноваційного матеріалу дослідники використали планетарну кульову млину та ретельно оптимізували процес помелу. Вони почали з простої суміші триоксиду молібдену (MoO3) і поліпропілену — поширеного пластику, що використовується у пакуванні та побутових виробах.
Завдяки точній механічній обробці ця суміш, отримана з відходів, перетворилася на композитні частинки, що містять брузен гідроген-молібдену (HxMoO3–y), діоксид молібдену (MoO2) та активоване вугілля — матеріали, які працюють разом для поглинання сонячного світла та ініціювання кількох реакцій очищення.
«Запропонований механохімічний процес перевершує інші сучасні підходи як за енергоефективністю, так і за економічністю», — підкреслює д-р Шіраї.
Провівши низку експериментів, команда показала численні вражаючі властивості своїх композитів. По-перше, ці частинки проявили широку здатність поглинати світло в діапазоні від ближнього інфрачервоного до видимого та ультрафіолетового світла, що дозволило здійснювати фотокаталітичне розкладання модельного органічного забруднювача. Цікаво, що композити також функціонували як каталізатори Брёнстеда та видаляли забруднювачі з води навіть за відсутності світла.
Використання плазмонних і фототермічних ефектів
Крім того, запропонований каталізатор продемонстрував плазмонні властивості, що призвели до помітного фототермічного ефекту, здатного швидко нагрівати воду за допомогою сонячного світла. Це дозволяє швидко випаровувати воду з високою фототермічною ефективністю. Нарешті, кисневмісні вуглеці, що залишалися як побічні продукти помелу, могли адсорбувати та видаляти іони важких металів із стічних вод.
Команда планує вдосконалити процес кульового помелу, щоб виготовляти подібні універсальні каталізатори для очищення води та інших застосувань.
«Наша технологія потенційно може застосовуватися до широкого спектра оксидів і пластиків, і ми очікуємо, що вона матиме різноманітні застосування, включаючи підвищення функціональності існуючих матеріалів та переробку пластикових відходів для забезпечення доступності питної води», — підсумовує д-р Шіраї.