Российские химики представили оригинальный и экономически доступный способ получения β-фазы нитрида углерода — прочного материала, который способен эффективно устранять органические примеси в воде под воздействием света. Разработка стала значимым шагом благодаря поддержке Российского научного фонда (РНФ) и участию Николая Сироткина, кандидата химических наук из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН. Новый метод позволяет осуществлять синтез вещества без использования дорогостоящей аппаратуры и при комнатной температуре, что принципиально расширяет возможности внедрения этой технологии в промышленность и экологические проекты по очистке воды.
Преимущество нитрида углерода: сочетание прочности и фотокаталитической активности
Нитрид углерода — это химическое соединение, где три атома углерода сочетаются с четырьмя атомами азота, образуя структуру, чья прочность сравнима с алмазом. Уникальность данного материала заключается еще и в его способности ускорять химические реакции при воздействии света, что превращает нитрид углерода в перспективный фотокатализатор. Особенно актуально его применение для удаления органических красителей и прочих загрязнителей из сточных вод, что важно для защиты природных водоемов и окружающей среды в целом.
Однако длительное время широкое использование нитрида углерода было ограничено — традиционные способы его получения отличались дороговизной, сложностью технологического процесса и необходимостью особых условий, включая высокие температуры и давление. Особую сложность представляло получение именно β-фазы этой структуры, теоретически еще более твердой, чем алмаз, но крайне нестабильной при классических подходах к синтезу.
Прорывная методика синтеза от ивановских ученых
Группа исследователей из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН под руководством Николая Сироткина разработала простую технологию, использующую для синтеза нитрида углерода электрический разряд между графитовыми электродами в растворах мочевины или ацетонитрила. Благодаря возникновению плазмы — высокоэнергетического состояния вещества, молекулы органических соединений распадаются на активные частицы. Эти частицы затем реагируют друг с другом, формируя наночастицы β-фазы нитрида углерода.
Важной особенностью этого процесса является его осуществимость в обычных условиях — при комнатной температуре и нормальном давлении. Технология не требует сложного и дорого оборудования, что многократно снижает себестоимость производства. Более того, используемые реагенты — мочевина и ацетонитрил — доступны и безопасны.
Эффективность в борьбе с органическим загрязнением
Новый вариант β-нитрида углерода показал себя в лабораторных испытаниях как чрезвычайно активный фотокатализатор. В качестве теста ученые выбрали разложение органических красителей, часто присутствующих в сточных водах текстильной и других промышленных отраслей. Образцы, синтезированные по новой методике, в 1,5–2 раза быстрее разрушали органические молекулы под действием ультрафиолетового излучения по сравнению с существующими аналогами.
Не менее важно, что материал проявил устойчивость и способность к повторному использованию — даже после множества циклов процесса нитрид углерода сохранял все свои катализаторные свойства. Анализ электронной структуры полученных наночастиц продемонстрировал их совершенность: минимальное количество дефектов решетки способствует сохранению высокой активности вещества.
Настраиваемые свойства синтезируемых материалов
Авторы работы установили, что физико-химические параметры наночастиц зависят от состава раствора, в котором производится синтез. Применение мочевины как растворителя способствует образованию более пористых частиц — их внутренние каверны значительно увеличивают площадь контакта с органическими загрязнителями, обеспечивая более эффективное их разрушение. В свою очередь, наночастицы, сформированные в ацетонитриле, отличаются большей плотностью и высокой механической прочностью, что повышает их устойчивость к износу и внешним воздействиям.
Такой подход к управлению морфологией позволяет создавать материалы с заданными свойствами для решения самых разных задач — от глубокой очистки вод до удаления вредных выбросов в газовой среде или других экологических направлений.
Экологичный синтез для устойчивого производства
По словам Николая Сироткина, благодаря использованию недорогих и нетоксичных реагентов — мочевины и ацетонитрила, а также простоте технологического процесса, себестоимость производства материалов кардинально снижается. Это открывает путь к их широкому внедрению в промышленных масштабах и позволяет отказаться от традиционных катализаторов на основе дорогостоящих или ядовитых соединений благородных металлов.
Разработка нового фотокатализатора не только снижает финансовые затраты, но также способствует формированию безопасных и устойчивых цепочек производства, что особенно важно для современной экологически ориентированной химической промышленности.
Будущее направления: создание инновационных композитов
В планы научного коллектива входит дальнейшее развитие изученного подхода. Ученые намерены создавать уникальные композитные материалы на базе нитрида углерода в сочетании с оксидами металлов — например, титана или меди. Ожидается, что такие композиты позволят еще больше повысить эффективность и универсальность фотокаталитических систем для очистки воды, воздуха и других сред.
Ключевым преимуществом предложенной методики является возможность одностадийного синтеза: вся процедура проходит в одном реакторе, и нет необходимости в промежуточном получении веществ-предшественников. Такие технологии способны сделать обработку сточных вод и промышленных выбросов не только высокоэффективной, но и максимально экономичной, что делает их идеальными для массового внедрения.
Исследования, реализованные при поддержке Российского научного фонда и при участии Николая Сироткина, представляют собой яркий пример современных отечественных достижений в прикладной химии, нацеленных на улучшение состояния окружающей среды и обеспечение жизнеспособности природных ресурсов для будущих поколений.
Источник: indicator.ru
