Nanorolki – niezwykłe nanomateriały do fotokatalitycznej neutralizacji zanieczyszczeń

Dwa najbardziej powszechne aczkolwiek niezwykle cenne i niezbędne do życia zasoby naturalne to woda i powietrze. I choć ich ilość na Ziemi jest ogromna, to środowisko w którym żyjemy cierpi z powodu rosnącego zanieczyszczenia. Koniec końców bez względu na położenie geograficzne zanieczyszczenia sięgają nawet trudno dostępnych miejsc takich jak czy Mount Everest. To wszystko za sprawą ludzkiej aktywności, w szczególności przemysłowej, generującej zatrważające ilości odpadów. Ze względu na ogromną skalę problemu, powszechnie stosowane metody usuwania szkodliwych związków chemicznych nie są wystarczające. Dlatego też potrzebne są nowatorskie i skuteczne rozwiązania, a jednym z nich jest nanotechnologia. Nanomateriały oferują wyjątkowe właściwości fizykochemiczne, dzięki czemu są w stanie szybciej i skuteczniej neutralizować lub pochłaniać szkodliwe związki nawet takie wykazujące właściwości toksyczne, co ciężko jest osiągnąć przy wykorzystaniu klasycznych metod opartych m.in. na filtracji. W obliczu globalnych wyzwań związanych z zanieczyszczeniem środowiska międzynarodowy zespół badaczy pracujący pod kierownictwem prof. Juana Carlosa Colmenaresa z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) stawia czoło temu problemowi. Naukowcy wzięli na celownik unieszkodliwianie szkodliwych substancji chemicznych, a ich bronią jest kompozyt do zadań specjalnych na bazie nanomateriałów.

Mały, niepozorny, a jakże skuteczny

W dzisiejszych czasach zanieczyszczenie powietrza i wody jest zatrważające. Wszystko to za sprawą działalności cywilizacji ludzkiej produkującej ogromne ilości odpadów przemysłowych, zawierających wiele toksycznych związków chemicznych. Często stanowią one poważne zagrożenie dla środowiska i życia flory, fauny a także człowieka. Co gorsza, większość z nich działa na nas szkodliwie nawet przy niewielkiej ekspozycji na ich działanie, niektóre z nich są przyczyną wielu poważnych chorób m.in. nowotworowych. Nawet jeśli niektóre lotne, toksyczne związki nie są przez nas bezpośrednio wdychane, powietrze jest pełne wilgoci będącej ich nośnikiem, a ta prędzej czy później ulega skropleniu i przedostaje się do gruntu. W efekcie, zanieczyszczenia o wiele trudniej usunąć ze środowiska, ponieważ ich transmisja oraz obieg jest powszechny i bardzo szybki.

Ogrom zanieczyszczenia środowiska wymaga nowych rozwiązań, a jednym z nich są metody oparte na nanotechnologii. Nanomateriały posiadają niezwykle aktywną powierzchnię w porównaniu do materiałów o większych rozmiarach, tzw. materiały objętościowe. Chociaż tylko niektóre nanomateriały nie są cytotoksyczne, to ich różnorodność stale rośnie i coraz więcej z nich może być zastosowana do unieszkodliwiania zanieczyszczeń w środowisku. Ostatnio, naukowcy z IChF PAN pod kierunkiem prof. Juana Carlosa Colmenaresa zaproponowali zastosowanie stabilnego chemicznie i nisko toksycznego związku - dwutlenku tytanu (TiO2 P-25) i połączenia go ze związkami węgla tj. zredukowanym tlenkiem grafitu (rGO) w celu skutecznej detoksykacji różnych związków w powietrzu i wodzie. TiO2 działa jako fotokatalizator, który może degradować szeroką gamę zanieczyszczeń chemicznych, w tym związki organiczne, a nawet drobnoustroje pod wpływem światła UV pochodzącego ze słońca. Ponadto jego synteza jest opłacalna ekonomicznie, a sam materiał nie ulega degradacji pod wpływem czynników atmosferycznych czy światła. Dodatkowo, badacze zmodyfikowali nanocząstki TiO2, zwijając je w rulon za pomocą ultradźwięków w celu uzyskania nanometrycznych rolek. Dzięki takiemu zabiegowi materiał uzyskuje lepsze właściwości fotokatalityczne powodując skuteczniejszy rozkład szkodliwych substancji chemicznych. Taki materiał staje się także skuteczny sorbentem, który jest w stanie wyłapywać molekuły pomiędzy poszczególnymi warstwami nanorolek. Oprócz modyfikacji powierzchni dwutlenek tytanu przekształcono chemicznie w tytanian, dzięki czemu zyskał on na właściwościach fotokatalitycznych.

„Rozwój nanotechnologii sprawił, że ich zastosowanie nie jest już tylko teorią. Nanomateriały coraz częściej stosowane są praktyce i powoli wkraczają do przemysłowych zastosowań. W naszej pracy postawiliśmy na wytworzenie kompozytu, który łączy unikalne właściwości cienkiego, dwuwymiarowego nanomateriału – zredukowanego tlenku grafitu (rGO), z wysoką fotoreaktywnością nanorurek tlenku tytanu. Takie połączenie pozwoliło na uzyskanie pożądanych właściwości fizykochemicznych nanokompozytu, a także uzyskanie właściwości sorpcyjnych. Nasz kompozyt wykazuje wysoką skuteczność unieszkodliwiania toksycznych związków chemicznych, wliczając w to nawet środki bojowe tj. gaz musztardowy. Wykazaliśmy, że materiał ten jest wysoce skuteczny do usuwania zanieczyszczeń środowiskowych, w szczególności do neutralizacji związków organicznych, a także może być wykorzystany jako katalizator do zastosowania w przetwarzaniu biomasy.”- zauważa pierwszy autor pracy, dr Dimitrios A. Giannakoudakis.

Wytworzony przez badaczy kompozyt na bazie zredukowanego tlenku grafitu oraz tytanianu jest o wiele skuteczniejszy od dobrze znanych materiałów węglowych tj. rGO oraz fotokatalizatora w zakresie światła UV - TiO2. Dzięki takiej modyfikacji kompozyt jest w stanie degradować zanieczyszczenia także w świetle widzialnym. To sprawia, że działa on uniwersalnie w oczyszczaniu powietrza i wody, z różnych szkodliwych chemikaliów pod wpływem zwykłego światła słonecznego. W swojej pracy autorzy przedstawili nowoczesne podejście do syntezy nanokompozytu przedstawiając nie tylko degradację toksycznych substancji do mniej szkodliwych związków, ale także możliwość wyłapywania produktów degradacji dzięki dużej, aktywnej powierzchni kompozytu. Praca ta została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie naukowym Chemical Engineering Journal (Elsevier).

Prof. Juan Carlos Colmenares twierdzi: „Uważamy, że obróbka wstępna ultradźwiękami przed obróbką hydrotermalną ma kluczowe znaczenie dla powstania naszego nanokompozytu, składającego się ze zwiniętych nanorurek z tytanianu połączonych z równomiernie rozproszonym rGO, podczas gdy samo mieszanie magnetyczne daje w efekcie o wiele słabszy fotokatalizator. za pomocą mieszania magnetycznego. Wstępna obróbka składników kompozytu daje o wiele wydajniejszy fotokatalizator. Wyższość naszego nanokompozytu nad wzorcowym fotokatalizatorem TiO2 P25 wynika z jego szczególnej struktury i jest związana z dużą ilością powierzchniowych grup funkcyjnych, które działają jako centra katalityczne. Powstały kompozyt ma także ogromną porowatością przez co jest to doskonały materiał do oczyszczania środowiska pod wpływem promieniowania słonecznego. Nasze wysiłki badawcze w ostatnich latach przy współpracy z Prof. Teresą J. z City College w Nowym Jorku wykazały, że wykorzystanie ultradźwięków podczas syntezy materiałów może doprowadzić do powstania nowych nanomateriałów o wyjątkowych właściwościach fizykochemicznych”.

Rozwój i zastosowanie nanomateriałów, takich jak przedstawiony nanokompozyt, do usuwania zanieczyszczeń z powietrza i wody zyskuje na znaczeniu na całym świecie. Dzięki unikalnym właściwościom nanomateriałów i ich sprzężeniu z metodami konwencjonalnymi zbliżamy się do skutecznej ochrony środowiska przed działaniem szkodliwych chemikaliów. I choć jesteśmy dopiero na etapie tworzenia nowych materiałów, to już widać światło w tunelu i możliwość dalszego rozwoju w tym kierunku

Badania zostały dofinansowane z Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu OPUS-13 nr 2017/25 / B / ST8 / 01592 oraz projektu Miniatura 2 nr 2018/02 / X / ST5 / 03531

PUBLIKACJE NAUKOWE:

“Scrolled titanate nanosheet composites with reduced graphite oxide for photocatalytic and adsorptive removal of toxic vapors”
Dimitrios A. Giannakoudakis, Kumar Vikrant, Alec P. LaGrow, Dmytro Lisovytskiy,  Ki-Hyun Kim, Teresa J. Bandosz,  Juan Carlos Colmenares
Chemical Engineering Journal  415, 128907 (2021)
DOI: 10.1016/j.cej.2021.128907