Исследователи разработали одноатомный катализатор, который в лабораторных условиях полностью разрушал бисфенол А в воде за пять минут. Добиться такого результата удалось не за счёт нового химического состава, а благодаря изменению структуры материала во время его получения.
Работа опубликована в Nature Communications.
Бисфенол А широко применяется при производстве поликарбонатных пластиков и эпоксидных смол и может попадать в сточные и поверхностные воды. Экологический интерес к нему связан в том числе с его способностью вмешиваться в работу гормональной системы живых организмов.
Всё решила структура пор
В основе катализатора лежит материал, полученный из металлоорганического каркаса ZIF-8. После нагревания без доступа кислорода он превращается в пористую углеродную структуру, внутри которой закреплены отдельные атомы металла — в данном случае кобальта.
Такие атомы работают как активные центры реакции. Однако эффективность зависит не только от их количества: молекулы загрязнителя должны быстро проникать внутрь материала и добираться до этих центров.
Авторы нашли сравнительно простой способ улучшить этот транспорт. Во время пиролиза они уменьшили скорость подачи азота. В результате внутри печи сохранялось больше водяного пара, который влиял на превращения соединений цинка и их последующее удаление из структуры.
После испарения цинка оставалась более развитая сеть пор разного размера.
Для оптимизированного материала объём мезопор и микропор вырос примерно в 2,7 и 2,6 раза соответственно. Благодаря этому увеличилась доступность кобальтовых центров и улучшилось поглощение бисфенола А.
Загрязнитель не просто задерживали, а разрушали
Само по себе поглощение вещества поверхностью не решает проблему очистки: загрязнитель лишь переходит из воды в материал.
Поэтому исследователи использовали пероксимоносульфат — окислитель, который активировался на кобальтовых центрах катализатора.
Эксперименты и расчёты показали, что молекулы бисфенола А передавали электроны атомам кобальта, а те, в свою очередь, эффективнее запускали окислительную реакцию.
В оптимальных условиях исходный бисфенол А переставал обнаруживаться уже через пять минут, а частота реакций на активных центрах выросла примерно в 20 раз.
Пять минут — пока только лабораторный результат
Высокая скорость реакции выглядит многообещающе, но до готовой технологии очистки сточных вод ещё далеко.
Во-первых, исчезновение исходного бисфенола А не означает автоматически его полной минерализации до углекислого газа и воды. Для экологической оценки необходимо проверить состав продуктов распада и убедиться, что среди них нет стойких или более токсичных соединений.
Во-вторых, пероксимоносульфат сам является расходуемым реагентом. При масштабировании важны будут его необходимая дозировка, стоимость и способы удаления или нейтрализации остатков после очистки.
Наконец, реальные промышленные стоки значительно сложнее лабораторных растворов. В них одновременно присутствуют соли, органические вещества, взвеси и другие загрязнители, которые могут конкурировать за активные центры или забивать поры материала.
Авторам ещё предстоит проверить долговечность катализатора, возможность его многократного использования и риск вымывания кобальта, цинка или других компонентов в очищенную воду.
Метод может оказаться шире одного катализатора
Исследователи применили тот же подход к материалам с отдельными атомами железа и меди. Это говорит о том, что управление газовой средой во время пиролиза может стать универсальным способом настройки пористой структуры одноатомных катализаторов без дополнительных шаблонов и химического травления.
Пока, однако, речь идёт именно о принципе получения материала, а не о готовой промышленной установке.
Главный результат работы — демонстрация того, что эффективность катализатора можно заметно повысить не усложнением его состава, а более точным управлением тем, как устроены пути внутри материала, по которым загрязнитель добирается до активных центров.
