3D-нанотехнологичные одеяла предлагают новый путь к очистке питьевой воды

Исследователи разработали новый материал, который, используя энергию солнечного света, может очищать воду от опасных загрязняющих веществ. С помощью комбинации мягких химических гелей и электроформовки — метода, при котором к жидкости прикладывается электрическая сила для создания тонких волокон, — команда учёных создала тонкие волокнистые полоски из диоксида титана (TiO₂) — соединения, которое часто используется в солнечных батареях, газовых датчиках и различных технологиях самоочистки.

Несмотря на то, что солнечное топливо является отличным альтернативным источником энергии, системы, использующие наночастицы TiO₂, часто ограничены по мощности, поскольку они могут подвергаться фотокатализу или вступать в химические реакции только при поглощении невидимого ультрафиолетового света. Это может создавать значительные трудности при внедрении, в том числе низкую эффективность и необходимость в сложных системах фильтрации.

Однако, когда исследователи добавили в материал медь, чтобы улучшить этот процесс, их новые структуры, называемые наноматами, смогли поглощать достаточно световой энергии, чтобы расщеплять вредные загрязняющие вещества в воздухе и воде, сказала Пелагия-Ирен Гума, ведущий автор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.

«Не было простого способа создать что-то вроде одеяла, которое можно положить на воду и начать вырабатывать энергию, — сказала она. — Но мы единственные, кто создал эти конструкции, и единственные, кто продемонстрировал, что они действительно работают».

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Science.

Когда диоксид титана поглощает свет, образуются электроны, которые окисляют воду и воздействуют на загрязняющие вещества, постепенно разрушая их, пока они не станут безвредными. При добавлении меди этот процесс ускоряется, становясь ещё более эффективным.

Чтобы выяснить это, исследователи изучили обновлённые свойства наноматов, чтобы понять, как они ведут себя и чем отличаются от других самоочищающихся наночастиц, сказала Гума. Удивительно, но исследователи обнаружили, что по сравнению с традиционными солнечными батареями эти наноматы могут более эффективно генерировать энергию при естественном солнечном свете.

«Эти наноматы можно использовать в качестве генератора энергии или для очистки воды, — сказала Гума. — В обоих случаях вы получаете катализатор с самой высокой эффективностью на сегодняшний день».

Эти лёгкие, простые в использовании волокнистые маты могут плавать на поверхности любого водоёма и даже многократно использоваться после очистки. Поскольку наноматы настолько эффективны, исследователи предполагают, что их можно использовать для очистки воды от промышленных загрязнителей в развивающихся странах, превращая загрязнённые реки и озёра в источники чистой питьевой воды.

Кроме того, поскольку эта технология не производит токсичных побочных продуктов, как некоторые системы солнечных батарей, наноматериалы чрезвычайно безопасны для окружающей среды.

«Это безопасный материал, он ничему не навредит и настолько чист, насколько это возможно», — сказал Гума.

Тем не менее, хотя технология этой команды невероятно эффективна, то, сколько времени потребуется для коммерческого расширения, зависит от того, насколько быстро отрасли обратят внимание на продукт.

«У нас есть инструменты, позволяющие производить их в больших количествах и внедрять в различные отрасли промышленности, - сказал Гума. - Единственное ограничение заключается в том, что нужен кто-то, кто сможет воспользоваться этими богатыми ресурсами».

В целом результаты исследования показывают, что наноматериалы могут стать перспективным инструментом для многих будущих фотокаталитических применений, в том числе для долгосрочных экологических проектов, таких как восстановление окружающей среды, а также для производства водорода с помощью солнечной энергии.

Тем временем команда планирует изучить способы дальнейшей оптимизации материала.

«Этот материал является совершенно новым с точки зрения нанотехнологий, — сказал Пелагия-Ирен Гума. — Это действительно впечатляет, и мы очень рады этому».

Источник: Phys.org