Zapewnienie ludziom dostępu do bezpiecznej wody pitnej stanowi nie tylko podstawowe prawo człowieka, ale także jeden z najważniejszych celów zrównoważonego rozwoju ONZ. W świecie mierzącym się z rosnącą urbanizacją, zmianami klimatycznymi i zanieczyszczeniem środowiska rośnie zapotrzebowanie na technologie, które pozwalają szybko i skutecznie usuwać zanieczyszczenia organiczne, metale ciężkie oraz inne toksyczne związki z wód powierzchniowych i ścieków.
Czytaj też: Woda w nanoskali. Dzięki ekstremalnym warunkom ujawniono jej nieoczywiste właściwości
W ostatnich latach ogromne nadzieje pokładano w rozwiązaniach opartych na energii słonecznej. Fotokataliza pozwala degradować związki organiczne przy użyciu światła, zaś procesy fototermalne umożliwiają szybkie odparowanie zanieczyszczonej wody i skraplanie jej w postaci czystej cieczy. Mimo ogromnego potencjału te technologie wciąż mają jedną poważną wadę: potrzebują drogich, trudno dostępnych i skomplikowanych w syntezie materiałów. To poważnie ogranicza ich wykorzystanie poza laboratoriami.
Wyjątkowy katalizator: jedna cząstka, trzy funkcje
Zespół badawczy z Nagoya Institute of Technology (NITech), kierowany przez dr Takashiego Shirai, postanowił tę barierę przełamać. W najnowszej pracy opublikowanej w ACS Applied Materials & Interfaces naukowcy przedstawili zupełnie nowe podejście – syntezę taniego i wielofunkcyjnego materiału kompozytowego, zdolnego samodzielnie wykonywać kilka kluczowych zadań związanych z oczyszczaniem wody.
Czytaj też: Woda i oliwa wreszcie się połączyły. Naukowcy stworzyli materiał łączący elektronikę z żywymi tkankami
Używając planetarnego młyna kulowego, badacze przetworzyli komercyjną mieszaninę tlenku molibdenu i polipropylenu w cząstki kompozytowe zbudowane z brązu molibdenowego wodorkowego, tlenku molibdenu(IV) oraz aktywowanego węgla – materiałów o niezwykle szerokim spektrum funkcji. Mechanochemiczna synteza pozwala nie tylko zmniejszyć koszty produkcji, lecz także uniknąć wysokich temperatur i skomplikowanych reagentów, które zwykle są niezbędne w chemii materiałowej.
Cząstki wytworzone w NITech wyróżniają się zestawem funkcji, które rzadko występują jednocześnie w jednym materiale. Przede wszystkim wykazują wyjątkowo szeroki zakres absorpcji światła – od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po podczerwień. Dzięki temu mogą skutecznie prowadzić fotokatalityczny rozkład zanieczyszczeń organicznych nawet przy słabym nasłonecznieniu, co potwierdziły testy z wykorzystaniem modelowych substancji.
Równie istotne jest to, że kompozyt zachowuje aktywność także w całkowitej ciemności. Jego właściwości kwasowe umożliwiają katalizę Brønsteda, pozwalając usuwać część zanieczyszczeń bez udziału światła. W realnych warunkach środowiskowych, gdzie nasłonecznienie bywa ograniczone, taka zdolność stanowi wyraźną przewagę nad klasycznymi fotokatalizatorami.
Materiał odznacza się również silnym efektem fototermalnym. Obecność tlenku molibdenu oraz form węgla o specyficznych właściwościach plazmonicznych sprawia, że cząstki bardzo szybko nagrzewają się pod wpływem promieniowania słonecznego. To pozwala na błyskawiczną ewaporację zanieczyszczonej wody, co może znacząco przyspieszyć proces pozyskiwania czystej cieczy w systemach odsalania lub oczyszczania.
Ostatnim elementem tej wielofunkcyjności jest zdolność do usuwania metali ciężkich. W trakcie mechanochemicznego mielenia powstają formy aktywowanego węgla bogate w atomy tlenu, które skutecznie adsorbują jony metali – jednych z najbardziej niebezpiecznych zanieczyszczeń dla zdrowia i środowiska. Co ważne, proces ten również nie wymaga światła, dzięki czemu kompozyt działa niezależnie od warunków oświetleniowych.
Naukowcy widzą w swojej technologii ogromny potencjał. Mechanochemiczne mielenie pozwala łatwo modyfikować skład cząstek, co otwiera drogę do tworzenia kolejnych generacji tanich i wielofunkcyjnych katalizatorów. Możliwe jest również przetwarzanie różnych tworzyw sztucznych, co łączy proces oczyszczania wody z upcyklingiem odpadów plastikowych – tematem kluczowym dla gospodarki o obiegu zamkniętym. Przyszłe badania mają koncentrować się na udoskonalaniu parametrów mielenia, zwiększaniu wydajności kompozytów i testowaniu ich w warunkach środowiskowych, w tym w ściekach przemysłowych oraz wodach gruntowych.