«Соногенно синтезированные комплексы Шиффа Ag(I) и Ni(II) как эффективные фотокатализаторы, активируемые видимым светом, для деградации красителей с DFT‑анализом.»

Преобразование окрашенных стоков в чистую воду

От одежды до продуктов питания современная жизнь во многом зависит от синтетических красителей. Но за яркими цветами скрывается проблема: сточные воды, насыщенные красителями, трудны в очистке и вредят рекам, озёрам и обитателям водных экосистем. В этом исследовании изучается новый подход, в котором свет и мельчайшие частицы на основе металлов разрушают распространённый синий краситель в воде, открывая путь к более дешёвым и экологичным методам очистки промышленных стоков.

Почему загрязнение красителями важно

Текстильная и другие отрасли сбрасывают в водоёмы большие количества неиспользованных красителей. Эти вещества блокируют солнечный свет, снижают уровень кислорода и связаны с серьёзными проблемами со здоровьем, включая генетические повреждения. Традиционные методы очистки — фильтрация, химическая обработка или сжигание — могут быть дорогими, сложными или порождать новые виды отходов. Перспективная альтернатива — фотокатализ, при котором твёрдое вещество с помощью света инициирует химические реакции, разлагающие загрязнители до безвредных соединений, таких как углекислый газ и вода, без добавления дополнительных реагентов.

Создание крошечных устройств для очистки на свету

Исследователи создали два новых фотокатализатора на основе так называемых молекул основания Шиффа, полученных из изатина и сульфаниламидного антибиотика сульфаттиазола. Эти органические фрагменты связали с ионами серебра (Ag) или никеля (Ni), образовав металлокомплексы. Существенно, что для получения наночастиц использовали экологичный соногенный метод, при котором акустические волны способствуют реакции в растворе, формируя наномасштабные частицы — чрезвычайно мелкие зерна с большой площадью поверхности, эффективно взаимодействующие с молекулами красителя в воде. Для подтверждения структуры, стабильности и наномасштаба полученных комплексов серебра и никеля применили широкий набор методов: инфракрасную и УФ‑видимую спектроскопию, ядерный магнитный резонанс, рентгеновскую дифракцию и термический анализ.

Изучение их отклика на свет

Чтобы понять, как эти новые материалы взаимодействуют со светом и электронами, команда сочетала эксперименты с компьютерным моделированием на основе теории функционала плотности (DFT). Оптические измерения показали, что оба комплекса ведут себя как полупроводники: их электроны можно возбуждать видимым светом через относительно небольшие энергетические зазоры. Расчёты DFT подтвердили эту картину, показав, что присоединение серебра или никеля к основе Шиффа уменьшает зазор между самым высоким занятым и самым низким не занятым молекулярными орбиталями, облегчая генерацию подвижных электронов и «дыр». Моделирование также выявило распределение отрицательного и положительного заряда по молекулам, что помогает определить участки, где молекулы красителя и реакционноспособные виды вероятнее всего адсорбируются на поверхности катализатора.

Испытание катализаторов

Реальная проверка заключалась в том, способны ли эти наноматериалы действительно разрушать краситель в воде. В качестве модели использовали метиленовый синий (MB), широко применяемый синий краситель, и облучали растворы с различным содержанием комплексов серебра или никеля обычной 60‑ваттной вольфрамовой лампой. Меняли три ключевых параметра: количество добавленного катализатора, концентрацию раствора красителя и кислотно‑щелочной баланс (pH) воды. При оптимальных условиях — умеренно щелочная среда при pH 11, 30 мг катализатора в 100 мл раствора MB концентрацией 10 частей на миллион — оба материала показали впечатляющие результаты. Комплекс серебра удалил примерно 95,3% красителя, а комплекс никеля — около 91,7% за 100 минут. Реакция подчинялась так называемой псевдо‑первому порядку кинетики, то есть скорость в основном зависела от оставшейся концентрации красителя, а оба катализатора можно было восстанавливать и повторно использовать как минимум четыре раза с незначительным снижением эффективности.

Механизм разложения

В работе изложена пошаговая картина разрушения красителя. Под действием видимого света электроны в частицах катализатора переходят на более высокие энергетические уровни, оставляя положительно заряженные «дыры». Эти электроны реагируют с растворённым кислородом с образованием реакционноспособных кислородных форм, а дыры взаимодействуют с водой с получением высокореактивных гидроксильных радикалов. Короткоживущие радикалы атакуют молекулы красителя в разных точках, разрывая химические связи до полного преобразования в углекислый газ и воду. Результаты DFT помогают объяснить чуть более высокую активность серебряного комплекса: его меньший энергетический зазор и благоприятное распределение заряда позволяют эффективнее поглощать свет и сильнее взаимодействовать с положительно заряженными участками красителя.

Что это значит для очистки воды

Для неспециалиста основной вывод таков: исследователи продемонстрировали два новых, стабильных и многоразовых светочувствительных материала, которые могут почти полностью удалить стойкий синий краситель из воды, используя только видимый свет и умеренные количества катализатора, без добавления окислителей. Поскольку частицы получены относительно «зелёным», акустически‑поддерживаемым процессом и могут быть рециклированы несколько раз, они представляют собой перспективное решение для практических фотокатализаторов при очистке вод, загрязнённых красителями. Необходимы дальнейшие испытания на реальных промышленных стоках и других загрязнителях, но исследование показывает, как интеллигентный молекулярный дизайн, подкреплённый теорией, может превратить обычный свет в мощный инструмент для очистки воды.

Цитирование: Saleh, A.M., Mahdy, A.G. & Hamed, A.A. “Sonochemically synthesized Ag(I) and Ni(II) schiff base complexes as efficient visible-light photocatalysts for dye degradation with DFT insights.”. Sci Rep 16, 7181 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37498-8

Ключевые слова: фотокатализ, очистка сточных вод, метиленовый синий, комплексы серебра и никеля, наноматериалы на основе основания Шиффа