Химики из Университета Стэнфорда разработали материал, способный дезинфицировать воду под действием видимого света. В его основе лежит массив вертикальных «нанохлопьев» из дисульфида молибдена. Поглощая фотоны, материал катализирует распад воды и образование активных форм кислорода (радикалов и перекисей), уничтожающих бактерии. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, коротко о нем сообщает пресс-релиз национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Один из разрабатываемых методов обеззараживания питьевойводы — использование фотокатализаторов. Эти вещества способны, среди прочего, разлагать воду поддействием света. Среди продуктов деятельности катализаторов содержатся активные формыкислорода: перекиси, свободные радикалы. Эти частицы опасны для микроорганизмови способны значительно уменьшать их концентрации.

Микрофотография материала.C. Liu et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Принцип работы фотокатализаторов основан на возникновениипары электрон — дырка в материале при поглощении фотона видимого диапазона. В зависимости отстроения и состава материала изменяется минимальная энергия, требуемая для этогопроцесса, — она связана с понятием запрещенной зоны материала. Образующиесяэлектроны и дырки могут взаимодействовать с молекулами вокруг катализатора, кпримеру, дырки могут «отбирать» электроны у воды, порождая гидроксильныерадикалы.

Принцип работы фотокатализатора. C. Liu et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Большинство эффективных фотокатализаторов, в частности оксидтитана, требуют для своей работы ультрафиолетовое излучение — фотонам видимого света не хватает энергии для рождения электрона и дырки. Однако в солнечномсвете доля ультрафиолета составляет лишь четыре процента, что сильно сказывается на скоростиочистки. Так, известные методики требуют от 6 до 48 часов на полноеобеззараживание. Вместе с тем, энергии фотонов видимого диапазона (400–800нанометров) формально должно быть достаточно для запуска реакций образованияактивных форм кислорода. К тому же они составляют около половины энергии солнечного света. Ученые уже пытались применять для дезинфекции другиефотокатализаторы, работающие в видимом диапазоне (к примеру, красный фосфор), но сталкивались с низкой эффективностью.

Авторы исследовали способности к обеззараживанию воды дисульфида молибдена — активно исследуемого сейчас полупроводникового материала. Запрещенная зона в нем может меняться в широких пределах при изменении толщины образца. Вкристалле она соответствует инфракрасному излучению (950 нанометров), амоноатомный слой дисульфида молибдена образует пары электрон-дырка при длиневолны света до 650 нанометров.

Химики вырастили на подложке массив вертикальных «снежинок»из дисульфида молибдена со строго заданной толщиной (около 40 нанометров). Онабыла настроена на то, чтобы производить электрон-дырочные пары при облучениивидимым светом — с длиной волны меньше, чем 800 нанометров. Для увеличенияэффективности авторы также напыляли на снежинки золото или медь. После этогоученые помещали материал в раствор, содержащий кишечную палочку, и проводилиэксперименты по дезинфекции.

Внешний вид фотокатализатора. Jin Xie / Stanford University

Оказалось, что спустя час после начала эксперимента под солнечным светом золоченые«снежинки» уничтожали, по меньшей мере, 99,999 процента бактерий. В аналогичномэксперименте с оксидом титана эффективность составляла 99,9 процента.Наибольшую активность проявили «снежинки» с медным покрытием — спустя 20 минутэксперимента в растворе не фиксировалось ни одной живой бактерии. По словамавторов, это ставит материал в один ряд с лучшими аналогами, известнымисегодня. При этом для обеззараживания заданного объема воды ученые использовали в десятки раз меньше вещества, чем в ранних экспериментах, — на литр вносилось около 1,6 миллиграмма катализатора. Важно заметить, что фотокатализатор не расходуется в процессе обеззараживания. 

Исследователи отмечают, что методика была отработана лишь на трех штаммах бактерий — двух штаммах E. coli *и одном *Enterococcus faecalis. Нет уверенности, что она позволит столь же эффективно уничтожать вирусы и другие виды бактерий. **

Современные методы обеззараживания основаны на хлорировании воды. Для этого в воду добавляют хлорную известь или гипохлорит натрия, токсичные для бактерий. К физическим методам обеззараживания питьевой воды относят обработку ультразвуком и ультрафиолетом. В отсутствии фотокатализатора ультрафиолет способен нарушать метаболизм микроорганизмов и губительно действует на их генетический материал. 

Ранее мы сообщали о новом катализаторе, позволяющем быстро избавляться от хлористых примесей в питьевой воде. А в прошлом году группа британских ученых разработала робота, способного добывать себе электроэнергию из грязной воды при помощи микробов.

Автор: Владимир Королёв