Найден простой и дешевый способ синтезировать вещество для очистки воды от органических загрязнителей

Ученые разработали новый метод синтеза нитрида углерода в β-фазе — материала, который по твердости не уступает алмазу и разлагает органические загрязнители под действием света. Подход позволяет получать нитрид углерода при комнатной температуре и не требует сложного оборудования и дорогих реактивов. Синтезированное соединение в 1,5–2 раза быстрее аналогов разлагает органические красители, благодаря чему потенциально может использоваться для очистки воды от загрязняющих веществ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Diamond and Related Materials.

Нитрид углерода, состоящий из трех атомов углерода и четырех атомов азота, представляет собой соединение, по прочности сопоставимое с алмазом и способное ускорять химические реакции под действием света. Благодаря этому нитрид углерода перспективен в фотокатализе для очистки сточных вод от органических загрязнителей и в оптоэлектронике для создания светодиодов и компактных сенсоров для детектирования вредных веществ. Однако это соединение пока широко не используется из-за того, что синтезировать его дорого и сложно: процесс требует дорогих катализаторов на основе благородных металлов, температур до 1400°C и давления, превышающего атмосферное в 70 тысяч раз. Особенно трудно получить β-фазу нитрида углерода, которая теоретически должна быть тверже алмаза, но на практике часто оказывается нестабильной. Поэтому ученые ищут новые методики синтеза этого соединения.

Исследователи из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново) предложили простой и дешевый способ синтезировать нитрид углерода. Авторы пропускали электрический разряд между графитовыми электродами, погруженными в раствор органических веществ — мочевины или ацетонитрила. Под действием тока в растворе за счет локального испарения жидкости образовывалась плазма — ионизированный газ. В этой плазменной среде молекулы органических веществ распадались на активные частицы, которые, взаимодействуя между собой, формировали наночастицы β-фазы нитрида углерода.

Затем ученые исследовали способность материала ускорять химические превращения под действием света. В качестве модельной реакции авторы выбрали разложение органических красителей, которые широко используются для окраски тканей и часто со сточными водами попадают в водоемы. Синтезированный нитрид углерода под действием ультрафиолета разрушал загрязнители в 1,5–2 раза быстрее, чем другие фотокаталитические материалы на его основе. При этом материал сохранял стабильность даже после многократного использования, что позволит использовать его в реальных системах очистки сточных вод. Анализ электронной структуры наночастиц показал, что их высокая активность обусловлена совершенной кристаллической решеткой, в которой практически нет дефектов, мешающих работе вещества как катализатора.

Кроме того, авторы обнаружили, что физические свойства полученных образцов зависели от химического состав раствора, в котором проходил синтез. Так, наночастицы, сформированные в растворе с мочевиной, оказались немного более пористыми, чем образцы, синтезированные в ацетонитриле. Высокая пористость обеспечивает больший контакт с загрязнителями и более эффективное их разрушение.

Наночастицы, полученные в растворе ацетонитрила, были плотнее, а потому устойчивее к внешним воздействиям. Таким образом, меняя условия синтеза, можно создавать материалы со свойствами, которые требуются для различных практических задач, например для очистки воды или воздушных выбросов, а также других экологических приложений.

«Использование дешевых реактивов — мочевины или ацетонитрила — и одностадийный синтез снижают стоимость производства, что важно для внедрения технологии в промышленность. Синтезированный предложенным методом продукт может заменить дорогостоящие и токсичные катализаторы — например, на основе благородных металлов — и способствовать переходу к устойчивому химическому производству», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Сироткин, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН.

В дальнейшем исследователи планируют получить уникальные фотокаталитические композитные материалы на основе нитрида углерода и оксидов титана или меди. Развиваемый авторами подход значительно отличается от других методов получения материалов с использованием разрядной плазмы, так как в нем композиты будут получены в одностадийном процессе в одном реакторе без предварительного синтеза веществ-предшественников.