Но в последнее время этот стремительный успех угас: все больше данных свидетельствует о том, что даже низкие дозы BPA могут быть вредными для здоровья человека и окружающей среды. Он классифицируется как соединение, разрушающее эндокринную систему, вещество, которое может нарушить гормональный баланс организма и потенциально вызвать рак или врожденные дефекты.
Многие производители постепенно отказываются от бисфенола А из своей продукции, особенно контейнеров для хранения продуктов питания и напитков, но это все еще огромная отрасль. Кроме того, BPA нелегко разрушается, что затрудняет безопасную утилизацию материала. Если он попадает в водные пути, он может оставаться токсином в окружающей среде.
Теперь исследователи разработали новый гибридный фотокатализатор, который может разрушать BPA с помощью видимого света.
Их выводы, опубликованные на этой неделе в журнале APL Materials от AIP Publishing, в конечном итоге могут быть использованы для очистки источников воды и более безопасного удаления BPA и подобных материалов.
Как работает новый катализатор
Их новый материал расщепляет бисфенол А посредством фотокаталитического окисления, процесса, в котором свет активирует окислительную химическую реакцию. Когда свет попадает на фотокатализатор, такой как наночастицы диоксида титана (TiO2), импульс энергии может перебросить один из его электронов в возбужденное состояние и создать дисбаланс в распределении заряда.
В электронной зоне с более высокой энергией теперь наблюдается избыток отрицательного заряда из-за добавления электрона. Между тем, в зоне для электронов с более низкой энергией наблюдается избыток положительного заряда (известный как «дырка»), потому что электрон ушел. В этом возбужденном, несбалансированном состоянии TiO2 может катализировать окисление и восстановление материалов вокруг него. Возбужденный электрон будет иметь тенденцию покидать TiO2, чтобы восстановить что-то поблизости, в то время как дырка помогает другому веществу окисляться, принимая один из его электронов.
Однако чистый TiO2 имеет большую ширину запрещенной зоны, т. Е. Требуется много энергии для возбуждения электронов с одного уровня на другой, и он проявляет фотокаталитические свойства только в ультрафиолетовом свете. Кроме того, возбужденный электрон имеет тенденцию быстро падать вниз и рекомбинировать с дыркой, давая катализатору мало времени в возбужденном состоянии, чтобы вызвать реакцию.
Чтобы превратить наночастицы TiO2 в лучший фотокатализатор, исследователи внесли несколько изменений.
Во-первых, они добавили серебро на поверхность наночастиц, что является обычным методом для улучшения разделения зарядов. Когда свет падает на TiO2 и возбуждает один из его электронов, серебро отталкивает этот электрон, так что он не может упасть обратно в дыру.
Тогда отверстие может более легко способствовать реакции окисления.
Добавление серебра также сдвинуло длину волны, на которой фотокатализатор возбуждался, вызвав эффекты локализованного поверхностного плазмонного резонанса — явление, при котором энергичные электроны на поверхности материала колеблются с определенной частотой и усиливают поглощение света в узком диапазоне длин волн. В этом случае серебро сместило длину волны света, необходимую для активации фотокатализатора, в сторону видимого спектра света.
«Включение благородного металла [например, серебра] в чувствительный к ультрафиолету TiO2 значительно расширило спектр в сторону видимого света за счет эффектов локализованного поверхностного плазмонного резонанса», — сказал Пичиа Сараванан, исследователь из Университета Малайи, возглавлявший проект.
Затем они обернули наночастицы Ag / TiO2 в листы восстановленного оксида графена (RGO), тонкий слой атомов углерода, расположенных в виде сот. Как и в случае с серебром, добавление RGO помогло дырке сохраниться, принимая возбужденные электроны от TiO2. Это также уменьшило запрещенную зону наночастиц, уменьшив количество энергии, необходимой для активации фотокатализатора.
Когда исследователи смешали гибридные наночастицы с раствором BPA под искусственным источником видимого света, они обнаружили, что BPA окисляется и разрушается намного эффективнее, чем без катализатора. Кроме того, наночастицы RGO-Ag-TiO2 превзошли те, в которых к TiO2 были добавлены только RGO или Ag, что позволяет предположить, что обе модификации сыграли роль в повышенной каталитической активности в видимом свете.
В конце концов, команда надеется использовать свои выводы, чтобы помочь расщепить BPA и другие загрязнители в системах водоснабжения. «Мы твердо уверены, что разработанный нанокатализатор может быть одним из наноматериалов, способных устойчиво решить указанную проблему», — сказал Сараванан.