Ученые синтезировали новые фотокатализаторы — вещества, способные превращать кислород в его активную форму под действием видимого света. Такие молекулы кислорода могут использоваться на производствах для разложения токсичных органических соединений до воды и углекислого газа. Сейчас для их расщепления применяют ультрафиолетовые лампы, но переход на видимый свет (обычные LED-лампы) позволит удешевить технологию в 65–70 раз. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ChemPlusChem.

При работе текстильных и фармацевтических предприятий образуются химические отходы, например ароматические углеводороды или полупродукты (вещества, оставшиеся от реакций) лекарственных средств, опасные для окружающей среды. Поэтому их нужно расщеплять до нетоксичных соединений — воды и углекислого газа. Обычно такие реакции проводят с помощью синглетного кислорода — молекулы с более высокой энергией, чем у обычного кислорода, которым мы дышим. Благодаря этой энергии синглетный кислород активнее соединяется с органическими веществами и сильнее окисляет их, из-за чего последние разрушаются. Также с помощью синглетного кислорода можно окислять сульфиды — соединения, в большом количестве получающиеся при обработке нефтепродуктов, — до сульфоксидов, которые входят в состав многих медицинских препаратов для противораковой терапии и лечения заболеваний нервной системы.

Сейчас синглетный кислород получают с помощью ультрафиолетовых ламп и металлических катализаторов, но у них есть два недостатка: они достаточно дороги, а также убивают живые организмы в воде, например фитопланктон, которым питаются рыбы. Поэтому ученые ищут более дешевые и безопасные способы получения синглетного кислорода для разложения опасных органических отходов и для изготовления лекарств.

Ученые из Ивановского государственного химико-технологического университета c коллегами синтезировали шесть фотокатализаторов — соединений, которые генерируют синглетный кислород под действием видимого света (солнечного или LED-ламп). Это происходит за счет того, что катализатор получает энергию света, а затем передает ее на молекулы кислорода, тем самым активируя их.

Исследователи синтезировали фотокатализаторы в два этапа, используя широкодоступный органический реактив фталонитрил, сырьем которого служит одна из фракций нефти, и бромид бора. Из них в инертной атмосфере получали краситель красно-розового цвета. Затем он взаимодействовал с производными ароматических карбоновых кислот и фенола с образованием фотокатализаторов.

Авторы проверили, насколько хорошо фотокатализаторы образуют синглетный кислород из обычного, растворив их в этиловом спирте и на 16 часов поместив под свет LED-лампы. Этиловый спирт выбрали в качестве растворителя потому, что фотокатализаторы не вступают с ним в реакцию, а значит, в таких условиях можно корректно оценить их эффективность. Эксперимент показал, что на свету фотокатализаторы превращали обычный кислород в синглетный с эффективностью от 49% до 62%. Для сравнения, широко используемые катализаторы на основе соединений титана и вольфрама обеспечивают эффективность превращения порядка 30%.

Потенциально полученные фотокатализаторы можно применять на очистных сооружениях фабрик и заводов, потому что именно под влиянием света малой мощности от относительно дешевых LED-ламп они будут превращать обычный кислород в синглетную форму. Она, в свою очередь, будет разрушать полупродукты лекарств и ароматические углеводороды до воды и углекислого газа. Использование видимого света для получения синглетного кислорода значительно удешевит процесс очистки, поскольку LED-лампы дешевле ультрафиолетовых в среднем в 65–70 раз.

Кроме того, эксперименты показали, что полученные учеными фотокатализаторы с эффективностью 96–100% превращают сульфиды в сульфоксиды, входящие в состав лекарств для противораковой терапии и лечения заболеваний нервной системы. Более того, фотокатализаторы могут применяться до 1000 раз без потери эффективности, что сопоставимо с промышленно используемыми для образования сульфоксидов фотокатализаторами.

«Мы планируем протестировать фотокатализаторы с разной химической структурой, а также испытать их в паре с другими веществами, разлагающими загрязнители, например диоксидом титана, нитридом углерода и графеном. Это позволит улучшить не только свойства используемых сейчас фотокатализаторов, но и разработать новые и тем самым усовершенствовать технологии разложения токсичных химических соединений в воде», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Иван Скворцов, старший научный сотрудник лаборатории синтеза и исследования порфиразиноидов Ивановского государственного химико-технологического университета.

В исследовании также участвовали ученые из Российского технологического университета МИРЭА (Москва), Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва) и Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново).