Kompozyt na bazie nanomateriałów do oczyszczania powietrza i wody z różnych szkodliwych chemikaliów pod wpływem zwykłego światła słonecznego - opracowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Za sprawą ludzkiej aktywności, w szczególności przemysłowej, produkującej ogromne ilości odpadów, wiele toksycznych związków chemicznych stanowi zagrożenie dla środowiska, flory, fauny a także człowieka. Nawet jeśli niektóre lotne, toksyczne związki nie są przez nas bezpośrednio wdychane, powietrze jest pełne wilgoci będącej ich nośnikiem, a ta prędzej czy później ulega skropleniu i przedostaje się do gruntu. W efekcie, zanieczyszczenia o wiele trudniej usunąć ze środowiska, ponieważ ich transmisja oraz obieg jest powszechny i bardzo szybki.
Dlatego też - piszą w prasowym komunikacie specjaliści Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) - potrzebne są nowatorskie i skuteczne rozwiązania, a jednym z nich jest nanotechnologia. Nanomateriały oferują wyjątkowe właściwości fizykochemiczne, dzięki czemu są w stanie szybciej i skuteczniej neutralizować lub pochłaniać szkodliwe związki, nawet takie wykazujące właściwości toksyczne, co ciężko jest osiągnąć przy wykorzystaniu klasycznych metod opartych m.in. na filtracji. Nanomateriały posiadają niezwykle aktywną powierzchnię w porównaniu do materiałów o większych rozmiarach, tzw. materiały objętościowe. Chociaż tylko niektóre nanomateriały nie są cytotoksyczne, to ich różnorodność stale rośnie i coraz więcej z nich może być zastosowana do unieszkodliwiania zanieczyszczeń w środowisku.
Międzynarodowy zespół badaczy pracujący pod kierownictwem prof. Juana Carlosa Colmenaresa z IChF PAN - wziął na celownik unieszkodliwianie szkodliwych substancji chemicznych, a ich bronią jest kompozyt do zadań specjalnych właśnie na bazie nanomateriałów. Praca na ten temat została opublikowana w czasopiśmie "Chemical Engineering Journal".
Naukowcy z IChF PAN zaproponowali zastosowanie stabilnego chemicznie i nisko toksycznego związku - dwutlenku tytanu (TiO2 P-25) i połączenia go ze związkami węgla tj. zredukowanym tlenkiem grafitu (rGO) w celu skutecznej detoksykacji różnych związków w powietrzu i wodzie. TiO2 działa jako fotokatalizator, który może degradować szeroką gamę zanieczyszczeń chemicznych, w tym związki organiczne, a nawet drobnoustroje pod wpływem światła UV pochodzącego ze słońca - informuje IChF PAN.
Ponadto jego synteza jest opłacalna ekonomicznie, a sam materiał nie ulega degradacji pod wpływem czynników atmosferycznych czy światła. Dodatkowo, badacze zmodyfikowali nanocząstki TiO2, zwijając je w rulon za pomocą ultradźwięków w celu uzyskania nanometrycznych rolek. Dzięki takiemu zabiegowi materiał uzyskuje lepsze właściwości fotokatalityczne powodując skuteczniejszy rozkład szkodliwych substancji chemicznych. Taki materiał staje się także skutecznym sorbentem, który jest w stanie wyłapywać molekuły pomiędzy poszczególnymi warstwami nanorolek. Oprócz modyfikacji powierzchni dwutlenek tytanu przekształcono chemicznie w tytanian, dzięki czemu zyskał on na właściwościach fotokatalitycznych.
- Rozwój nanotechnologii sprawił, że ich zastosowanie nie jest już tylko teorią. Nanomateriały coraz częściej stosowane są praktyce i powoli wkraczają do przemysłowych zastosowań. W naszej pracy postawiliśmy na wytworzenie kompozytu, który łączy unikalne właściwości cienkiego, dwuwymiarowego nanomateriału – zredukowanego tlenku grafitu (rGO), z wysoką fotoreaktywnością nanorurek tlenku tytanu. Takie połączenie pozwoliło na uzyskanie pożądanych właściwości fizykochemicznych nanokompozytu, a także uzyskanie właściwości sorpcyjnych. Nasz kompozyt wykazuje wysoką skuteczność unieszkodliwiania toksycznych związków chemicznych, wliczając w to nawet środki bojowe tj. gaz musztardowy. Wykazaliśmy, że materiał ten jest wysoce skuteczny do usuwania zanieczyszczeń środowiskowych, w szczególności do neutralizacji związków organicznych, a także może być wykorzystany jako katalizator do zastosowania w przetwarzaniu biomasy - zauważa pierwszy autor pracy, dr Dimitrios A. Giannakoudakis, cytowany w prasowym komunikacie.
Wytworzony przez badaczy kompozyt na bazie zredukowanego tlenku grafitu oraz tytanianu jest o wiele skuteczniejszy od dobrze znanych materiałów węglowych tj. rGO oraz fotokatalizatora w zakresie światła UV - TiO2. Dzięki takiej modyfikacji kompozyt jest w stanie degradować zanieczyszczenia także w świetle widzialnym. To sprawia, że działa on uniwersalnie w oczyszczaniu powietrza i wody, z różnych szkodliwych chemikaliów pod wpływem zwykłego światła słonecznego. W swojej pracy autorzy przedstawili nowoczesne podejście do syntezy nanokompozytu przedstawiając nie tylko degradację toksycznych substancji do mniej szkodliwych związków, ale także możliwość wyłapywania produktów degradacji dzięki dużej, aktywnej powierzchni kompozytu.
- Nasze wysiłki badawcze w ostatnich latach przy współpracy z Prof. Teresą J. z City College w Nowym Jorku wykazały, że wykorzystanie ultradźwięków podczas syntezy materiałów może doprowadzić do powstania nowych nanomateriałów o wyjątkowych właściwościach fizykochemicznych - podsumowuje prof. Juan Carlos Colmenares.
Badania zostały dofinansowane z Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu OPUS-13.
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, fot. IChF PAN/ Grzegorz Krzyżewski
