Ученые Института катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда разрабатывают фотокаталитические системы для окисления бензола — канцерогенного ароматического углеводорода, который выделяют, в том числе, бытовые пластики. Преимущества создаваемых новых катализаторов в том, что они будут работать под видимым светом. В перспективе их можно будет применять в очистителях воздуха нового поколения.
Бензол — простейший ароматический углеводород, который обладает высокой канцерогенностью. При накапливании в организме он ведет к заболеваниям крови, таким как анемия и лейкоз, а также костного мозга. При острой интоксикации бензолом могут возникнуть отек мозга и застой крови в легких.
Как рассказывает старший научный сотрудник отдела нетрадиционных каталитических процессов Института катализа СО РАН Михаил Люлюкин, бензол — «проблемное» соединение. У него очень низкая предельно допустимая концентрация — если ощущается характерный сладковатый запах, это значит, что его уровень сильно превышен.
«Бензол часто окружает нас. Он используется как растворитель, содержится в пластиках и изоляционных материалах. На производствах стоят системы улавливания, очистки, соблюдается техника безопасности. А сколько бензола мы вдыхаем каждый день в помещениях, сказать сложно», — говорит ученый.
Чтобы нейтрализовать бензол, его, как и другие органические загрязнители воздуха, окисляют — разрушают и превращают в углекислый газ и воду. Но возникает еще одна проблема: бензол приводит к дезактивации окисляющего его катализатора. Когда молекула бензола попадает на поверхность катализатора, она разваливается на несколько «осколков» и начинает занимать много места. Из-за этого затрудняется и ее окисление, и приток следующих молекул. Перед учеными стоит задача создать систему, которая будет активной и стабильной в борьбе с бензолом.
В качестве базового компонента специалисты используют диоксид титана.
«Самый эффективный на данный момент окислитель — это диоксид титана. Он эффективный и стабильный, но его минус в том, что он поглощает для окисления бензола только ультрафиолет. Нам нужно создать системы, которые будут работать под видимым светом. Мы используем диоксид титана, допированный азотом за счет применения азотсодержащего предшественника на этапе синтеза — аммиака, а также вольфраматом висмута. Азот встраивается в структуру диоксида титана, и тот становится активным под видимым светом», — поясняет Михаил Люлюкин.
Вольфрамат висмута повышает стабильность азот-допированного диоксида титана — активность катализатора со временем не падает, а сохраняется.
Ученые фактически создают фотокатализаторы следующего поколения. В существующих на рынке очистителях воздуха используется диоксид титана и ртутные лампы. Новый композит, активный под видимым светом, позволит использовать не ртутные лампы, которые сложно утилизировать, а безопасные и энергоэффективные светодиодные источники.
Исследование поддержано грантом РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».