Очистка производственных стоков от фенолсодержащих соединений является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых проблем. Это обусловлено различными химическими составами загрязнений и условиями их образования. А также сложностью соблюдения технологического процесса очистки и большими экономическими затратами, связанными с использованием дефицитных реагентов, последующей их регенерацией и необходимостью утилизации образующихся токсичных отходов. В связи с этим, поиск новых эффективных технологий очистки фенолсодержащих сточных вод является очень актуальным направлением исследований.
Ученые Университета МИСИС совместно с коллегами из Университета Фудань (Китай) предложили 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, то есть 1 грамм материала обладает высокой площадью поверхности. Поскольку химия процесса водоочистки происходит на границе раздела поверхности катализатора и водного раствора – чем больше площадь поверхности, тем эффективнее будет идти процесс.
В сравнении с другими фотокатализаторами нитрид бора обладает высокой химической стабильностью, а его свойства достаточно просто варьировать путем модификации структуры.
«За счет 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 загрязненную 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 запрещенной зоны – энергетического зазора, который необходимо преодолеть электрону для перехода в возбужденное 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 запрещенной зоны ученые использовали метод шарового размола порошка – механическую обработку, при которой происходят измельчение и пластическая деформация вещества.
«Мы обнаружили, что за счет создания большого количества дефектов структуры нитрида бора происходит снижение ширины запрещенной 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», — отметил Денис Лейбо.
В своей работе в качестве источника возбуждения электронов ученые использовали ультрафиолетовый свет. В дальнейшем исследователи планируют перейти к видимому свету за счет использования гетероструктурных материалов на основе дефектного нитрида бора и других двумерных полупроводников, чтобы фотокаталитическое окисление происходило под действием света видимого диапазона частот.
