Умные полимерные мембраны очистят воду, преобразуя световую и механическую энергии

Химики разработали волоконные гибридные полимерные мембраны, ускоряющие химические превращения под действием световой и механической энергии. Авторы доказали эффективность полученных катализаторов в реакции разложения метиленового синего — красителя, который широко используется в химии и медицине. Разработка может лечь в основу дешевых, биосовместимых и экологически чистых катализаторов для очистки сточных вод от продуктов химического синтеза и других загрязнителей. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.

При работе химических производств и промышленных предприятий в воду часто попадают загрязняющие органические вещества, например красители, антибиотики и пестициды, которые могут быть опасны для окружающей среды и человека. Для очистки сточных вод от подобных загрязнителей можно использовать фотокатализаторы. Это вещества или материалы, ускоряющие химические реакции под действием света. Когда фотокатализатор облучают светом необходимой длины волны, в нем генерируются свободные носители зарядов (электроны и дырки), которые, участвуя в поверхностных окислительно-восстановительных реакциях, приводят к разложению загрязнителей, содержащихся в воде. Однако на практике применение фотокатализа пока ограничено, в частности из-за того, что наночастицы фотокатализатора, попадая в воду, сами могут стать загрязнителями.

В этой связи в качестве основы-носителя для наночастиц фотокатализаторов очень удобны полимерные мембраны на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), поскольку их можно легко извлекать из раствора и использовать повторно, они прочные, нетоксичные, биосовместимые, устойчивые к высоким и низким температурам, а также химикатам. Однако, учитывая инертность этого полимера — то есть его низкую каталитическую активность, — ученые синтезируют на его основе гибридные материалы, включая в них более «активные» наполнители.

Ученые из Дагестанского государственного университета (Махачкала), Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала) с коллегами из Чехии решили вовсе не добавлять фотокаталитически активные наночастицы в состав полимера и синтезировали гибридный фотокатализатор на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и гидратированной соли нитрата кальция. Чтобы сформировать мембрану из раствора этих веществ, авторы использовали метод электропрядения: смесь компонентов с помощью сверхтонкого дозатора под электрическим напряжением распыляли так, чтобы струи сформировали сеть из полимерных волокон.

Исследователи проанализировали структуру полученного материала и определили, что между волокнами мембраны и молекулами гидратированной соли образовалась плотная сеть водородных связей, которая не характерна для чистого полимера. Кроме, того модификация привела к тому, что полимер стал чувствительным к свету: при его действии в материале формировались свободные носители зарядов, необходимые для участия в окислительно-восстановительных реакциях. Водородные связи в такой структуре интересны тем, что они действуют как транспортные мостики для эффективной миграции свободных носителей к поверхностным активным центрам, где они могут участвовать в химических превращениях, тем самым обеспечивая высокую фотокаталитическую активность.