Гибридный материал разрушил органические загрязнители и собрал энергию из окружающей среды

Ученые разработали магнитоэлектрический нанокомпозит на основе поливинилиденфторида и наночастиц феррита висмута, способный эффективно разрушать органические загрязнители под действием света и ультразвука, а также генерировать электрический заряд при механическом воздействии и в магнитном поле. В экспериментах с модельным загрязнителем метиленовым синим материал показал до 97% эффективности при облучении светом и 83% при действии ультразвука. Кроме того, при сжатии и ультразвуковой обработке напряжение композита увеличилось в 1,9 раз по сравнению с чистым полимером, и при этом материал накапливал электромагнитную энергию. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymer.В современной физике и химии востребованы материалы, которые могут одновременно служить катализаторами, то есть ускорять химические реакции, и генерировать энергию. Одно из перспективных решений в этом направлении — полимерные нанокомпозиты на основе поливинилиденфторида и наночастиц феррита висмута. Поливинилиденфторид — полимер, способный преобразовывать механическую энергию в электричество, а феррит висмута — магнитоэлектрический наноматериал, под действием света осуществляющий химические превращения. Их сочетание позволяет создавать интеллектуальные материалы с возможностью самозахвата энергии из окружающей среды.Ученые из Дагестанского государственного университета (Махачкала) синтезировали композитные пленки, включив наночастицы феррита висмута в матрицу поливинилиденфторида. Эксперименты показали, что материал в течение часа под действием ультрафиолета разлагает органический краситель метиленовый синий, широко используемый в медицине, красильной и химической промышленности, с эффективностью до 97%. При ультразвуковой обработке эффективность достигла 83%.Авторы проанализировали механизм реакции и выяснили, что ключевую роль в разрушении красителя играют гидроксильные радикалы — частицы, образующиеся под воздействием света и ультразвука. Они атакуют молекулы загрязнителя, вызывая последовательные химические превращения и изменение структуры молекулы. Дополнительно ученые обнаружили, что композит способен разлагать загрязнители даже в переменном магнитном поле низкой частоты, сопоставимом с магнитным полем вблизи мощного динамика. При этом эффективность разложения достигла 38% без дополнительного светового или ультразвукового воздействия. Это открывает новые возможности для создания магнитоуправляемых катализаторов, которые могут работать в слабых переменных магнитных полях.Еще одна важная особенность нового материала — его способность собирать и накапливать энергию. При воздействии ультразвука и механическом сжатии напряжение в композите увеличивалось в 1,9 раз по сравнению с чистым поливинилиденфторидом. Кроме того, благодаря магнитоэлектрическому эффекту материал генерировал электрический заряд даже под воздействием слабого переменного магнитного поля. В экспериментах пленка, помещенная рядом с электрическим проводом бытового прибора, смогла собирать так называемую паразитную электромагнитную энергию — слабые электромагнитные поля, которые возникают вокруг работающих электрических устройств и обычно остаются неиспользованными.«Разработанный нами материал совмещает каталитические и энергетические функции, что делает его перспективным для создания экологичных технологий очистки воды, автономных датчиков и энергоэффективных устройств. В дальнейшем мы планируем исследовать возможность интегрировать подобные композиты в гибкие источники питания и системы накопления энергии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фарид Оруджев, кандидат химических наук, заведующий лабораторией Smart Materials Дагестанского государственного университета.В исследовании принимали участие сотрудники Института физики имени Х.И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала), Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград), Почвенного института имени В.В. Докучаева (Москва) и Национального инженерного института (Индия).