Исследователи из Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН (Иваново) разработали новый метод синтеза нитрида углерода в β-фазе — материала, который по твёрдости не уступает алмазу и разлагает органические загрязнители под действием света. Подход позволяет получать нитрид углерода при комнатной температуре и не требует сложного оборудования и дорогих реактивов.

Синтезированное соединение в 1,5–2 раза быстрее аналогов разлагает органические красители, благодаря чему потенциально может использоваться для очистки воды от загрязняющих веществ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Diamond and Related Materials.

Нитрид углерода, состоящий из трёх атомов углерода и четырёх атомов азота, представляет собой соединение, по прочности сопоставимое с алмазом и способное ускорять химические реакции под действием света. Благодаря этому нитрид углерода перспективен в фотокатализе для очистки сточных вод от органических загрязнителей и в оптоэлектронике для создания светодиодов и компактных сенсоров для детектирования вредных веществ. Однако это соединение пока широко не используется из-за того, что синтезировать его дорого и сложно: процесс требует дорогих катализаторов на основе благородных металлов, температур до 1400 °C и давления, превышающего атмосферное в 70 тысяч раз. Особенно трудно получить β-фазу нитрида углерода, которая теоретически должна быть твёрже алмаза, но на практике часто оказывается нестабильной. Поэтому учёные ищут новые методики синтеза этого соединения.

В ИХР РАН предложили простой и дешёвый способ синтезировать нитрид углерода. Авторы пропускали электрический разряд между графитовыми электродами, погружёнными в раствор органических веществ — мочевины или ацетонитрила. Под действием тока в растворе за счёт локального испарения жидкости образовывалась плазма — ионизированный газ. В этой плазменной среде молекулы органических веществ распадались на активные частицы, которые, взаимодействуя между собой, формировали наночастицы β-фазы нитрида углерода.

Затем авторы работы исследовали способность материала ускорять химические превращения под действием света. В качестве модельной реакции они выбрали разложение органических красителей, которые широко используются для окраски тканей и часто со сточными водами попадают в водоёмы. Синтезированный нитрид углерода под действием ультрафиолета разрушал загрязнители в 1,5–2 раза быстрее, чем другие фотокаталитические материалы на его основе. При этом материал сохранял стабильность даже после многократного использования, что позволит использовать его в реальных системах очистки сточных вод. Анализ электронной структуры наночастиц показал, что их высокая активность обусловлена совершенной кристаллической решёткой, в которой практически нет дефектов, мешающих работе вещества как катализатора.

Кроме того, авторы обнаружили, что физические свойства полученных образцов зависели от химического состав раствора, в котором проходил синтез. Так, наночастицы, сформированные в растворе с мочевиной, оказались немного более пористыми, чем образцы, синтезированные в ацетонитриле. Высокая пористость обеспечивает больший контакт с загрязнителями и более эффективное их разрушение.

Наночастицы, полученные в растворе ацетонитрила, были плотнее, а потому устойчивее к внешним воздействиям. Таким образом, меняя условия синтеза, можно создавать материалы со свойствами, которые требуются для различных практических задач, например для очистки воды или воздушных выбросов, а также других экологических приложений.

«Использование дешёвых реактивов — мочевины или ацетонитрила — и одностадийный синтез снижают стоимость производства, что важно для внедрения технологии в промышленность. Синтезированный предложенным методом продукт может заменить дорогостоящие и токсичные катализаторы — например, на основе благородных металлов, — и способствовать переходу к устойчивому химическому производству», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Сироткин, кандидат химических наук, научный сотрудник ИХР РАН.

В дальнейшем исследователи планируют получить уникальные фотокаталитические композитные материалы на основе нитрида углерода и оксидов титана или меди. Развиваемый авторами подход значительно отличается от других методов получения материалов с использованием разрядной плазмы, так как в нем композиты будут получены в одностадийном процессе в одном реакторе без предварительного синтеза веществ-предшественников.

Источник: пресс-служба РНФ.