Экспериментальное и вычислительное исследование фотокаталитического разложения летучих органических соединений в битуме с использованием обогащённых серой фенольных био-масел

Почему дорожные покрытия важны для воздуха, которым мы дышим

Каждый раз, когда солнце нагревает асфальтовую дорогу, в воздух поднимаются невидимые пары. Эти испарения содержат летучие органические соединения (ЛОС) — большое семейство молекул, способных вредить здоровью человека и усугублять городской смог. В этом исследовании предлагается новый биологически ориентированный способ переработки асфальта, который улавливает и даже разлагает многие из этих паров до того, как они улетучатся, что потенциально может делать воздух в городах чище и одновременно продлевать срок службы покрытия.

Скрытое загрязнение от обычного асфальта

Асфальтовые покрытия нагреваются при производстве, транспортировке и укладке, но они также выделяют ЛОС в течение многих лет всякий раз, когда их нагревает солнечный свет. Эти пары содержат тысячи различных молекул: некоторые токсичны, другие способствуют образованию аэрозолей и приземного озона. Ультрафиолетовое (УФ) излучение солнца ускоряет разрушение и старение асфальта, высвобождая ещё больше ЛОС и постепенно ослабляя поверхность дороги. Инженеры пробовали добавлять разные химические модификаторы, чтобы замедлить старение, но многие из этих добавок сами вызывают экологические или санитарные опасения.

Преобразование растительных отходов и серы в защитник дорог

Авторы сосредоточились на более экологичной альтернативе: био-маслах, полученных из древесных гранул и богатых фенольными соединениями — кольцеобразными молекулами, похожими на вещества, встречающиеся в растениях. Отдельно дорожные инженеры давно экспериментируют с добавлением элементарной серы, дешёвого побочного продукта нефтепереработки, чтобы повысить прочность асфальта. Под УФ-светом сера в асфальте может образовывать высокореакционноспособные серные радикалы, которые обычно считают источником проблем, потому что они ускоряют старение. Эта работа меняет подход. Команда предлагает сочетать древесные фенольные био-масла с серой, создавая в асфальте новый вид «поглотителя радикалов», который одновременно укрепляет материал и захватывает молекулы ЛОС, переводя их в более стабильные формы вместо того, чтобы позволять им улетучиваться в атмосферу.

Как работает молекулярная ловушка

На молекулярном уровне УФ-свет разрывает кольца элементарной серы, образуя короткую цепочку из четырёх атомов серы с неспаренным электроном — серный радикал. Этот радикал реагирует с фенольными кольцами в био-масле, формируя серо-фенольную сборку, которая остаётся реакционноспособной, но более стабильной. Исследование показывает с помощью подробного компьютерного моделирования, что эта сборка затем охотно сцепляется с распространёнными молекулами ЛОС через образование углеродно-серной (C–S) связи. Энергетические расчёты указывают, что эти реакции не только возможны, но и благоприятны в реалистичных условиях асфальтового материала, то есть ЛОС могут эффективно захватываться по мере того, как дорожное покрытие нагревается от движения транспорта и солнечного света.

Делая пары легче разрушаемыми с помощью света

На этом история не заканчивается захватом. Сами по себе большинство ЛОС поглощают лишь очень коротковолновый УФ-свет — ниже примерно 200 нанометров, которого на земной поверхности мало. Это делает их устойчивыми к прямому фотохимическому разложению. Однако при образовании связанных комплексов с серо-фенольными сборками поведение поглощения света у ЛОС меняется значительно. Компьютерные симуляции и лабораторные измерения УФ–видимой спектроскопии показывают, что основные пиковые значения поглощения сдвигаются с около 200 нанометров к ~400 нанометрам — «красный сдвиг» в ближнюю УФ- и видимую область, где солнечный свет доступен в избытке. Новые комплексы поэтому поглощают больше того света, который действительно достигает дорожного покрытия, что облегчает запуск фотохимических реакций, разрушающих ЛОС в более тяжёлые, менее летучие вещества, остающиеся запертыми в асфальте.

Доказательства с лабораторного стола

Чтобы подтвердить этот механизм помимо симуляций, исследователи синтезировали модельные соединения с серой, фенолом и ЛОС и изучили их с помощью нескольких методов. УФ–видимая спектроскопия ясно показала предсказанный красный сдвиг в поглощении света после реакции ЛОС с серо-обогащёнными био-маслами. Инфракрасная спектроскопия выявила специфические связи, включая углеродно-серные и серо-серные фрагменты, которые сигнализируют об успешном сцеплении компонентов. Масс-спектрометрия показала молекулярные массы и схемы фрагментации, согласующиеся с предложенными серосодержащими структурами. В совокупности эти методы дают связную картину: фенольные масла из древесины и серные радикалы могут объединиться, чтобы захватывать ЛОС и превращать их в светочувствительные мишени для фотокаталитического разрушения.

Что это может значить для городов будущего

Для неспециалиста вывод прост: аккуратно переработав состав асфальта, можно превратить дороги из постоянного источника вредных испарений в активный поглотитель, который улавливает и разрушают эти вещества. Изученные здесь серо-обогащённые, фенольные био-масла производятcя из распространённых промышленных побочных продуктов — серы из нефтепереработки и био-масел из древесных отходов — поэтому они могут быть экономически эффективными и экологичными. При масштабировании такие модифицированные асфальты могут снизить городское загрязнение воздуха, замедлить старение покрытий и лучше использовать отходы, предлагая практический путь к более чистой и устойчивой городской инфраструктуре.

Цитирование: Almasi, M., Neyband, R.S. Experimental and computational study of photocatalytic degradation of volatile organic compounds in bitumen using sulfur-doped phenol-rich bio-oils. Sci Rep 16, 7779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38337-6

Ключевые слова: выбросы асфальта, летучие органические соединения, фотокаталитические дорожные материалы, модификаторы на биологической основе, городское загрязнение воздуха