Материал деформируется — и у его поверхности начинается химическая работа: из кислорода и воды образуется перекись водорода, которая затем помогает разрушать органические загрязнители. Исследователи объединили эти две стадии в одном катализаторе. Они проверили его под ультразвуком и отдельно испытали мембранный прототип в вихревом потоке воды.
Работа опубликована 27 октября в Nature Communications. Катализатор — соединение меди, вольфрама и серы Cu₂WS₄. Авторы изменили соотношение его кристаллических граней так, чтобы разделение зарядов и последующие реакции поддерживали друг друга.
От механического движения к химическому превращению
При деформации материала электрические заряды смещаются. На разных участках поверхности становятся возможны разные реакции: одни связаны с кислородом, другие — с водой. Так возникает перекись водорода. Этот путь называют пьезокатализом: механическое воздействие помогает запустить каталитическую реакцию.
Следующая задача — использовать полученную перекись. Центры с медью и вольфрамом помогают превращать её в очень реакционноспособные частицы, в том числе гидроксильные радикалы. Они атакуют органические молекулы загрязнителя. Получение окислителя и его активация здесь происходят на одном материале.
Это не очистка без затрат энергии. В основных опытах механическое воздействие обеспечивал ультразвук. Для другого испытания катализатор закрепили в полимерной мембране и использовали движение вихревого потока.
Исчезновение загрязнителя — ещё не чистая вода
В ультразвуковых опытах изучали разрушение атразина, модельного загрязнителя. После 30 минут обработки количество общего органического углерода снизилось примерно на 51%. Это существенно меньше исчезновения исходного атразина: часть органики могла остаться в виде других соединений.
В прототипе с вихревым потоком проверяли уже другое вещество — краситель родамин B. Поэтому результат с атразином нельзя приписывать проточному устройству. Обесцвечивание раствора тоже само по себе не доказывает, что вода стала пригодна для питья.
Практический интерес работы — в объединении двух химических функций: окислитель можно получать у поверхности материала и сразу вовлекать в следующую реакцию. Следующий этап оценки такой системы — расход энергии, состав продуктов превращения, выход компонентов катализатора в воду и устойчивость на реальных смесях загрязнений. Это лабораторная технология и прототип, а не готовая установка для питьевого водоснабжения.
Для знакомства с ролью катализатора в химическом превращении — учебный раздел WikiChem EASY.
Авторская объясняющая схема EASY: деформация материала помогает разделению зарядов и образованию перекиси водорода. Формы, масштаб и расположение зарядов условны; это не изображение измеренной кристаллической структуры.
