Важный шаг в сфере экологических технологий сделали ученые Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново), работающие при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Под руководством кандидата химических наук Николая Сироткина команда разработала перспективный метод получения нитрида углерода, который открывает новые горизонты для экологически чистой и эффективной очистки сточных вод с применением энергии света.
Почему нитрид углерода оказался в центре внимания ученых
Нитрид углерода — это уникальное химическое соединение, включающее три атома углерода и четыре азота. Благодаря структурным особенностям оно обладает крепостью, сопоставимой с алмазом, и необычной способностью ускорять протекание фотохимических реакций. Материал может стать ключевым элементом в технологиях очистки воды, солнечных сенсорах и оптоэлектронике.
Однако массовое внедрение нитрида углерода до сих пор сдерживалось сложностью и дороговизной его синтеза: для его получения ранее требовались редкие платиновые катализаторы, высокие температуры (до 1400°C) и сверхвысокие давления, порой в 70 тысяч раз выше атмосферного. Еще одна сложность — стабильный синтез так называемой β-фазы нитрида углерода, которая должна быть тверже алмаза, но обычно оказывается неустойчивой.
Поиск более доступных и эффективных способов производства этого материала стал одной из приоритетных задач российских ученых.
Оригинальная технология российской команды
Инновационный подход, реализованный в лаборатории Института химии растворов им. Крестова РАН, основан на использовании электрического разряда для образования наночастиц нитрида углерода. Команда Николая Сироткина задействовала обычные графитовые электроды, которые были погружены в растворы простых органических соединений: мочевины или ацетонитрила.
При пропускании электрического разряда между электродами жидкость локально испарялась, образуя плазменную среду. В условиях высокой энергии органические молекулы разлагались, а свободные атомы и радикалы быстро объединялись в наночастицы желаемой β-фазы нитрида углерода.
Главный плюс предложенного метода — его простота и экономичность. Отсутствие дорогостоящих катализаторов и экстремальных условий значительно снижает себестоимость и делает технологию привлекательной для масштабирования на практике.
Фотокаталитическая эффективность и стабильность нового материала
Полученный нитрид углерода ученые протестировали на примере разложения органических красителей, которые часто попадают в сточные воды после использования в текстильной промышленности. Под воздействием ультрафиолета материал демонстрировал активность, превосходящую аналоги в 1,5–2 раза: вредные соединения разрушались гораздо быстрее.
Еще одно достоинство — высокая стабильность. Материал не терял эффективности даже после многочисленных циклов применения, что особенно важно для реальных промышленных систем водоочистки. При детальном электронном анализе было показано, что полученные наночастицы обладают практически совершенной кристаллической структурой: отсутствие дефектов обеспечивает высокий уровень каталитической активности и долговечность.
Влияние состава среды на характеристики наночастиц
Исследователи уделили внимание и свойствам материала, зависящим от условий синтеза. Например, синтез в среде мочевины приводил к появлению более пористых наночастиц. Повышение пористости усиливает контакт с загрязнителями, увеличивая скорость и полноту их разрушения.
Если же реакция проходила в растворе ацетонитрила, синтезированные частицы получались более плотными и устойчивыми к внешним воздействиям. Таким образом, подбор условий позволяет получать материалы с необходимыми качествами как для очистки воды и воздуха, так и для применения в других экологических процессах.
Экономическая и экологическая значимость открытия
Примененный российскими учеными подход, по словам Николая Сироткина, позволяет обходиться без дорогостоящих токсичных катализаторов на основе драгоценных металлов и использовать доступные, недорогие реагенты. Это открывает путь к внедрению новых экологических технологий на промышленных объектах, не только в России, но и за рубежом. Переход к недорогому и безопасному для окружающей среды процессу синтеза нитрида углерода — важный шаг для повышения экологической ответственности химической отрасли.
Технология уже готова к масштабированию: простые компоненты, одностадийный процесс и минимальные отходы делают ее привлекательной для промышленного производства и дальнейшего развития.
Будущее: новые композиты и расширение применения
Научная группа планирует развивать успех, создавая новые композитные материалы на основе нитрида углерода в сочетании с оксидами титана и меди. Предполагается, что такие композиты будут получать в одной реакционной системе — без предварительного формирования отдельных компонентов, что упрощает процесс и делает его еще более экономичным и экологичным.
Подход, разработанный коллективом Института химии растворов имени Г.А. Крестова, существенно отличается от существующих мировых практик: возможность создавать материалы с узко заданными свойствами “под заказ” открывает будущее для самых разнообразных сфер применения, от очистки воды и воздуха до биомедицины и сенсорики.
Успех исследования, поддержанного Российским научным фондом и реализованного коллективом Николая Сироткина, служит отличным примером того, как отечественная наука в сотрудничестве с промышленностью способна предлагать современные, эффективные и экологически чистые технологии для решения глобальных задач. Это не только шаг вперед в развитии отечественной науки, но и вклад в повышение качества и безопасности жизни человека.
Источник: naked-science.ru
