Исследователи НИТУ МИСИС совместно с коллегами из Китая впервые разобрались в механизмах точного определения концентрации метиленового синего — красителя, который широко используется в медицине и фотокатализе. На основе полученных данных, ученые предложили новый перспективный фотокатализатор для очистки вод от органических загрязнителей — он нетоксичен и обладает высокой стабильностью свойств. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials.
Загрязнение воды отходами химической и фармацевтической промышленности принимает угрожающие масштабы для всего живого на Земле. Одним из эффективных способов очистки воды является разрушение вредных органических соединений под действием солнечного света в присутствии фотокатализаторов — материалов, которые ускоряют этот процесс. Поэтому разработкой эффективных фотокатализаторов занимаются многие лаборатории по всему миру.
Ученые НИТУ МИСИС и университета Фудань (Китай) изучали фотокаталитическую активность наночастиц гексагонального нитрида бора, допированного кислородом (h-BNOx). Активность этих частиц оценивалась по скорости разрушения органического красителя — метиленового синего. Для этого использовался метод оптического поглощения света, основанный на взаимосвязи яркости окраски раствора от концентрации МС, то есть чем меньше окраска раствора, тем меньше концентрация красителя.
«Метиленовый синий (МС) — краситель, который широко используется как в медицине — для фотодинамической терапии рака, так и в фотокатализе, как тестовый материал в разработке фотокатализаторов для очистки воды от органических загрязнителей и оба этих применения требуют точного определения концентрации МС в растворе», — рассказал старший научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Андрей Матвеев.
В ходе исследований неожиданно были обнаружены два новых фактора, которые ранее не учитывались другими исследователями при разработке фотокатализаторов. Оказалось, что окраска раствора МС отклоняется от прямой в области концентраций от 3,33 до 4,00 мг/л.
«Это происходит в результате образования агломератов молекул МС и вносит погрешность в определение концентрации МС до 1 мг/л, что существенно как для биомедицинских применений, так и для оценки эффективности фотокатализатора», — отметил Андрей Матвеев.
Второй неожиданный результат — оказалось, что яркость растворов МС падает при облучении светом и этот процесс очень чувствителен к температуре — чем выше температура, тем быстрее происходит обесцвечивание растворов МС.
«Известно, что МС разлагается при облучении светом, однако мы впервые обнаружили очень сильное влияние температуры на этот процесс. Это неожиданно, поскольку МС не разлагается при нагреве без облучения светом. Фоторазложение МС происходит в результате самоиндуцированного распада метиленового синего, то есть при облучении светом в широком диапазоне спектра МС генерирует активные частицы (радикалы), которые его же и разрушают. Следует отметить, что этот эффект также не учитывался в целом ряде ранее опубликованных статей, что привело к завышенным оценкам фотокаталитической активности исследованных в них материалов», — пояснил Андрей Матвеев.
Далее, приняв во внимание все особенности МС при его облучении светом и нагреве, ученые исследовали наночастицы оксинитрида бора (BNOx) в качестве нового фотокатализатора для очистки воды от органических загрязнений, таких как красители или антибиотики, используемые в текстильной промышленности, парфюмерии и биомедицине.
«Оказалось, что наночастицы h-BNOx проявляют рекордную фотокаталитическую активность в УФ-диапазоне среди фотокатализаторов, несодержащих металлы. При этом они нетоксичны и обладают высокой стабильностью свойств. Синтез этих наночастиц разработан в НИЦ НН и может быть организован в промышленных масштабах. Вот так, через тернии к солнцу, и развивается наука», — отметил Андрей Матвеев.
В дальнейшем ученые планируют приступить к исследованиям МС, адсорбированного на нитриде бора в качестве терапевтического агента в фотодинамической терапии злокачественных новообразований.
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (№ 21-49-00039).
