Чтобы удалить микрозагрязнители, такие как пестициды и следовые химикаты из окружающей среды, вам нужно что-то столь же маленькое и хитрое. Одним из потенциальных методов является фотокатализ, который использует полупроводниковые наноматериалы, работающие от солнечного света, для адсорбции токсичных химикатов на поверхности материалов и их разложения. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Catalysis.
Команда Корнелла использовала новую форму оптической визуализации высокого разрешения, чтобы лучше понять, как адсорбция (т. е. прилипание молекул к поверхностям) работает на полупроводниковом диоксиде титана (TiO2) с частицей золота, добавленной в качестве сокатализатора. Они обнаружили, что золото усиливает адсорбцию на удивительно большой площади поверхности полупроводника — более чем в микрометре от источника. Открытие может повысить эффективность фотокатализа для устранения микрозагрязнителей в сточных водах.
Усиление диоксида титана золотом является довольно распространенной формой фотокатализа, поэтому команда Чена выбрала эту комбинацию. Они хотели работать с хорошо зарекомендовавшими себя модельными системами. Ключевым событием стал новый метод визуализации: adCOMPEITS, сокращение от Adsorb-based COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-resolution, который основывается на предыдущем процессе, разработанном в лаборатории.
В adCOMPEITS молекула флуоресцентного зонда адсорбируется на поверхности частицы, и ее флуоресценция визуализируется. Затем нефлуоресцентная молекула микрозагрязнителя отправляется на связывание с поверхностью, где она конкурирует за адсорбцию с флуоресцентным зондом. Полученное в результате уменьшение адсорбции зонда — по сути, создавая негативное изображение — может быть затем измерено и отображено с супервысоким разрешением.
Группа использовала этот метод для количественной оценки адсорбции двух типичных микрозагрязнителей: пестицида пиримифосметила и пластификатора диэтилфталата в различных условиях реакции и отсутствия реакции.
«Мы измерили адсорбцию на поверхности этого наностержня TiO2 в разных местах, а затем особенно в месте, где находится золотая частица, а также в местах, очень удаленных от золотой частицы», — сказал Чен. «Размер золотой наночастицы составляет всего 100 нанометров. Мы обнаружили, что она усиливает адсорбцию на расстоянии микрометров от места, где находится частица. То есть примерно в 10 раз дальше».
Причина такого увеличенного диапазона заключается в том, что золотая частица изменяет электронные свойства на поверхности TiO2, явление, называемое изгибом поверхностной зоны, которое лаборатория Чена ранее изучала на трехмерных полупроводниковых частицах, проявляющих двумерные свойства.
«Оказалось, что изгиб полосы не только изгибает полосы там, где он есть, изгиб полосы происходит вдоль поверхности TiO2», — сказал Чен. «Это изгиб полосы имеет экспоненциальный профиль затухания, который достигает микрометров и приводит к этому усилению адсорбции на больших расстояниях».
Открытие демонстрирует особое преимущество использования металлических наночастиц, таких как золото, в качестве сокатализаторов: для улучшения адсорбции на полупроводнике требуется лишь небольшое количество. Это может в конечном итоге помочь решить одну из проблем фотокатализа, который часто имеет низкую эффективность преобразования при превращении солнечной энергии в химическую реакцию. Помимо фотокаталитических приложений, его также можно использовать для таких процессов, как зондирование и сенсибилизация красителем солнечных элементов.
«Этот дальнобойный эффект должен быть широко применим», — сказал Чэнь. «Расширяя это, можно подумать об улучшении многих типов полупроводников с использованием многих типов сокатализаторов с различными электронными свойствами».
