Исследователи разработали новый материал, который, используя энергию солнечного света, может очищать воду от опасных загрязнителей. Он был создан с помощью комбинации мягких химических гелей и технологии электропрядение — метода, при котором электрическая сила применяется к жидкостям для создания мелких волокон. Команда сконструировала тонкие волокнистые полоски диоксида титана (TiO₂), соединения, часто используемого в солнечных элементах, газовых сенсорах и различных технологиях самоочистки.
Несмотря на то, что солнечные топливные системы, использующие наночастицы TiO₂, являются отличным альтернативным источником энергии, они часто ограничены по мощности, поскольку могут проводить фото-каталитические реакции, лишь поглощая невидимый УФ-свет. Это создает значительные проблемы для реализации, включая низкую эффективность и необходимость в сложных фильтрационных системах.
Однако, когда исследователи добавили медь в материал для улучшения этого процесса, их новые структуры, названные наночастицы, смогли поглощать достаточно световой энергии для разрушения вредных загрязнителей 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 генерировать энергию", — сказала она. "Но мы единственные, кто создал такие структуры и продемонстрировал, что они действительно работают".
Исследование было недавно опубликовано в журнале Advanced Science.
Когда диоксид титана поглощает свет, образуются электроны, которые окисляют воду и атакуют загрязнители, медленно разрушая их до безопасного состояния. Когда добавляется медь, этот процесс ускоряется, что делает его еще более эффективным.
Чтобы определить это, исследователи работали над характеристикой обновленных свойств наночастицы, чтобы понять, как он ведет себя и чем отличается от других самоочищающихся наночастиц, сказала Гума. Удивительно, но исследователи обнаружили, что по сравнению с традиционными солнечными элементами, эти наночастицы могут быть более успешными в генерации энергии при естественном солнечном свете, добавила она.
"Эти наночастицы могут использоваться как генераторы энергии или как инструменты для очистки воды", — сказала она. "В обоих случаях у вас есть катализатор с самой высокой эффективностью, о которой сообщалось на сегодняшний день".
Эти легкие, легко снимаемые волокнистые маты могут плавать и работать на любой водной поверхности и даже могут быть использованы повторно через несколько циклов очистки. Поскольку наночастицы столь эффективны, исследователи предполагают, что их можно использовать для удаления промышленных загрязнителей в развивающихся странах, превращая загрязненные реки и озера в источники чистой питьевой воды.
Кроме того, поскольку эта технология не генерирует токсичных побочных продуктов, как некоторые солнечные электрические системы, наночастицы являются исключительно экологически чистыми. "Это безопасный материал, он никому не навредит и настолько чист, насколько это возможно", — сказала Гума.
Тем не менее, хотя технология этой команды невероятно эффективна, сколько времени потребуется для ее коммерческого масштабирования, зависит от того, как быстро индустрия обратит на продукт внимание. "У нас есть инструменты для их массового производства и перевода в различные отрасли", — сказала Гума. "Единственное ограничение в том, что нужно, чтобы кто-то воспользовался этими обильными ресурсами".
В целом, результаты исследования предполагают, что наночастицы могут стать многообещающим инструментом в многих будущих фото-каталитических приложениях, включая долгосрочные усилия по устойчивому развитию, такие как экологическая реабилитация, а также производство водорода на солнечной основе.
В то же время команда планирует изучить способы дальнейшей оптимизации материала.
"Этот материал совершенно новаторский с точки зрения новой формы нанотехнологии", — сказала Гума. "Это действительно впечатляюще и то, чем мы очень гордимся".
