Синтез и характеристика нано-композита g-C3N5/CuS/AgNPs как Z‑схемного фотокатализатора для эффективного разложения метилпаратиона

Почему этот новый материал для очистки воды важен

Метилпаратион — мощный пестицид, который помогал защищать урожай, но у него есть серьёзный недостаток: даже небольшие количества в воде могут навредить людям и дикой природе, повреждая нервную систему, печень и почки. Он также распадается на другие токсичные соединения. В этом исследовании описан новый светочувствительный материал — особая смесь наночастиц — способный очень быстро разлагать метилпаратион в воде под видимым светом, что открывает перспективный путь к более безопасной питьевой воде и чище рекам вблизи сельскохозяйственных угодий.

Упорный сельскохозяйственный химикат в нашей воде

Метилпаратион принадлежит к классу пестицидов, нарушающих работу нервной системы. Хотя он плохо растворяется в воде, сток с полей всё равно может заносить его в пруды, реки и грунтовые воды. Попав в воду, он трудно удаляется и может вызывать от головных болей и тошноты до серьёзных поражений органов. Традиционные методы очистки — использование микробов, фильтрация через мембраны или внесение химикатов — часто требуют много времени, порождают новые отходы или слишком дороги для масштабного применения. Поэтому учёные ищут способы не просто переместить эти молекулы, а непосредственно их разрушить.

Использование света для приведения химии очистки в действие

Один из привлекательных вариантов — фотокатализ, при котором энергия света активирует твёрдое вещество, способное разрывать молекулы загрязнителей. При попадании света на подходящий материал образуются подвижные заряды — электроны с отрицательным зарядом и «дырки» с положительным. Если эти заряды успевают достичь поверхности до рекомбинации, они могут реагировать с кислородом и водой, образуя агрессивные короткоживущие частицы, атакующие загрязнения. Задача — спроектировать материал, который эффективно поглощает видимый свет, быстро разделяет заряды и предоставляет большую поверхность для протекания реакций.

Создание трёхкомпонентной «нано-губки» для света

В этой работе исследователи собрали трёхкомпонентный, или «тернарный», нано‑композит, сочетая: (1) g-C3N5 — углеродно-азотистый материал, поглощающий видимый свет; (2) цветкообразные частицы сульфида меди (CuS), обеспечивающие большую площадь поверхности и хорошую подвижность зарядов; и (3) крошечные серебряные наночастицы, которые помогают переносить электроны и усиливают поглощение света. Сначала g-C3N5 получили из распространённого лабораторного прекурсора, затем вырастили CuS с лепестковой структурой, и в конце украсили полученную смесь серебром с помощью восстановителя. Снимки с высоким разрешением показали g-C3N5 в виде пластин, CuS — в виде сросшихся «цветков», а серебро — в виде небольших шариков, закреплённых на поверхности. Измерения площади поверхности показали, что комбинированный материал имеет намного большую реактивную область, чем отдельные компоненты, а оптические испытания выявили уменьшение энергетической щели до примерно 1,5 эВ, что означает высокую эффективность использования видимого света.

Насколько хорошо новый материал уничтожает метилпаратион

Команда затем проверила, насколько этот нано‑композит способен удалять метилпаратион из воды под видимым светом. Сам по себе свет удалял лишь около 2% пестицида за час, а материал в темноте почти ничего не удалял — это показало, что нужны и свет, и катализатор. Контрастно, полный трёхкомпонентный материал разложил около 95% метилпаратиона в течение часа под видимым светом при слегка кислой pH около 6 и умеренной дозе катализатора. Испытания при разных значениях pH, количества катализатора и начальных концентраций пестицида показали, что эффективность максимальна при pH 6 и при промежуточной концентрации катализатора; слишком большое количество вызывает слипание частиц и снижает эффективность. Даже при увеличении начальной концентрации пестицида материал по-прежнему удалял большую его часть, хотя очень высокие концентрации замедляли процесс из‑за насыщения активных сайтов на частицах.

Как частицы выполняют свою работу

Чтобы понять химию очистки, исследователи добавляли «ловушки» — вещества, избирательно блокирующие определённые реактивные виды. При подавлении гидроксильных радикалов или супероксидов разложение метилпаратиона резко падало, что показало: именно эти высокореактивные формы кислорода выполняют основную разрушительную работу. Измерения люминесценции и электрического сопротивления показали, что трёхкомпонентный материал дольше сохраняет электроны и дырки разнесёнными, чем любой из отдельных компонентов, что позволяет образовываться большему числу радикалов. Авторы предлагают так называемый Z‑схемный путь: под светом электроны и дырки перемещаются по энергетическому «зигзагу» между g-C3N5, CuS и серебром, рекомбинируя контролируемым образом и оставляя на g-C3N5 сильно окисляющие дырки и на CuS — сильные восстановительные электроны. Эти виды затем генерируют радикалы, которые атакуют и разрушают молекулы пестицида на более мелкие, менее вредные продукты.

Что это может означать для чище воды

С точки зрения неспециалиста, это исследование показывает, что возможно спроектировать мелкие, прочные частицы, действующие как солнечные очистители для упрямых пестицидов. Новый нано‑композит g-C3N5/CuS/Ag удалял почти весь метилпаратион из воды за час под видимым светом и сохранял активность в нескольких циклах повторного использования, что говорит о его практическом потенциале для обработки сельскохозяйственных стоков. Поскольку его производство относительно простое и недорогое, и он использует свет вместо больших объёмов вводимых химикатов, подход может помочь защитить питьевую воду и экосистемы в районах ведения сельского хозяйства при условии масштабирования и интеграции в системы очистки.

Цитирование: Teymourinia, H., Alshamsi, H.A., Gharagozlou, M. et al. Synthesis and characterization of g-C₃N₅/CuS/AgNPs nanocomposite as a Z-scheme photocatalyst for efficient methyl parathion degradation. Sci Rep 16, 6619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35254-6

Ключевые слова: метилпаратион, фотокатализатор, нано-композит, очистка воды, разложение пестицидов