Ученые МФТИ, НИЯУ МИФИ и их коллеги из ОАЭ с помощью технологии управляемой дефектной инженерии создали высокоэффективный адсорбент, который в 25 раз лучше исходного материала удаляет токсичные красители из сточных вод. Технология легко масштабируется, не требует ядовитых растворителей и сложного оборудования, а сам адсорбент не образует опасных отходов и может использоваться повторно. Апробацию материалов в промышленных очистных установках планируется запустить уже в следующем году. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Каждый год предприятия производят более 700 тысяч тонн синтетических красителей. До 15 % этих соединений попадает в сточные воды, формируя устойчивые загрязнения. Красители резистентны к биологическому разложению, снижают светопроницаемость водоемов и подавляют фотосинтез, а в высоких концентрациях обладают токсическим и мутагенным действием на живые организмы.
Сорбционная очистка остается одним из наиболее эффективных методов удаления органических загрязнителей. Однако традиционные адсорбенты демонстрируют ограниченную емкость, низкую селективность и часто требуют сложной утилизации, что снижает их экологическую и экономическую целесообразность.
Ниобат лития — прочный и доступный материал, широко применяемый в фотонике, сенсорах и оптоэлектронике, долгое время считался практически инертным для задач очистки воды. Однако модификация, разработанная учеными, впервые раскрыла его скрытый сорбционный потенциал и превратила материал в эффективный поглотитель органических красителей.
«Проблема оказалась в термодинамике процесса. Пока молекула красителя находится в воде, она свободно движется. Но при физической адсорбции на поверхности материала эта свобода резко ограничивается, а значит система теряет энтропию — возникает так называемый “энтропийный штраф”. Энергетические затраты на такую «упорядоченность» оказывались выше выгоды от самого связывания, поэтому процесс очистки становился термодинамически невыгодным. Чтобы сорбция стала самопроизвольной, необходимо либо уменьшить этот энтропийный барьер, либо создать настолько сильные центры связывания, чтобы они компенсировали потери энергии», — объяснил Илья Мартынов, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Этот барьер преодолела команда ученых, применив механохимический метод. Порошок ниобата лития измельчили в планетарной мельнице в водной среде, искусственно создав на поверхности материала большое количество точечных дефектов.
«Эти дефекты открыли активные центры ниобия, которые работают как химические “якоря” для молекул красителей. В результате слабое электростатическое взаимодействие, которого раньше было недостаточно для эффективной очистки, сменилось механизмом хемосорбции — образованием прочных химических связей. Именно это позволило преодолеть термодинамический барьер и многократно повысить сорбционную емкость», — рассказал Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В лабораторных испытаниях сорбент протестировали на четырех распространенных красителях: метиленовом синем, кристаллическом фиолетовом, родамине 6Ж и метиловом оранжевом. Материал эффективно удалял именно те соединения, которые способны образовывать химические связи с центрами ниобия. Например, метиловый оранжевый, не склонный к такому взаимодействию, практически не поглощался. Это подтвердило, что ключевую роль играет именно химический механизм сорбции, а не обычное электростатическое притяжение.
Эффективность удаления красителей из раствора составила 96,8%
До механической обработки порошок ниобата лития мог поглотить лишь около 4 мг красителя на грамм материала. После нее этот показатель вырос до 100 мг/г.
«Технология подкупает простотой и низкой стоимостью. Синтез идет в обычной воде, без токсичных растворителей и сложных стадий осаждения, что позволяет легко масштабировать метод под нужды крупных предприятий. Материал стабилен, допускает регенерацию и не образует вторичных токсичных отходов», — рассказал Александр Сюй, главный научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Кроме того, обнаружено, что варьирование продолжительности помола позволяет направленно изменять сдвигать край оптического поглощения получаемых материалов в ультрафиолетовую область, что открывает перспективы их применения в перестраиваемых оптоэлектронных устройствах.
Апробацию материала на пилотном промышленном модуле планируется запустить в течение года. Ученые намерены лицензировать технологию и совместно с производителями адаптировать её под реальные стоки заводов.
В работе приняли участие ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, МИФИ, ЮЗГУ (Курск), ИХТРЭМС КНЦ РАН (Апатиты, Мурманская область), ПНИПУ (Пермь) и ОАЭ. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение FSMG-2025-0005) и Российского Научного Фонда (проект 25-79-10108).
