Усиление фотокатализа при видимом свете с помощью MWCNT-модифицированного TiO2/SiO2/g-C3N4: эффективное удаление тетрациклина в чистой и жесткой воде

Решение сложных водных проблем

Антибиотики и яркие красители, смываемые из домов, ферм и заводов, могут сохраняться в реках и питьевой воде, вредя дикой природе и способствуя распространению устойчивых к лекарствам бактерий. В этой работе описан новый материал, активируемый светом, который одновременно захватывает эти загрязнители из воды и разрушает их под действием видимого света, в том числе в жесткой воде, где очистка обычно затруднена.

Новый вид очищающего порошка

Исследователи создали порошковый материал, который объединяет несколько известных компонентов в одну крошечную, цветковидную структуру. Диоксид титана и диоксид кремния образуют прочные сферические кластеры, а очень тонкие листы углеродного материала g‑C3N4 оборачивают их. Через эту структуру проходят многостенные углеродные нанотрубки — полые углеродные цилиндры, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В совокупности эти компоненты формируют высокопористую архитектуру с большой внутренней площадью, где молекулы загрязнителей могут адсорбироваться перед запуском светозависимых реакций.

Использование света вместо агрессивной химии

Когда на этот композит попадает видимый свет, он действует как фотокатализатор: поглощает энергию света и использует её для генерации короткоживущих, высокореактивных форм кислорода. Эти реактивные частицы атакуют сложные молекулы, такие как краситель метиленовый синий и антибиотик тетрациклин, расщепляя их на более мелкие, менее вредные фрагменты и, в конечном счете, до углекислого газа и воды. Углеродные нанотрубки выполняют двойную роль. Они расширяют спектр поглощаемого света и служат быстрыми путями для переносимых зарядов внутри твердого тела, предотвращая бесполезную рекомбинацию положительных и отрицательных зарядов и оставляя больше энергии для разложения загрязнителей.

Эффективность даже в жесткой воде

В реальной воде часто содержатся минералы, такие как карбонат кальция, которые делают её «жесткой» и могут покрывать или нейтрализовать многие катализаторы. Команда испытывала свой материал как в чистой воде, так и в воде, насыщенной карбонатом кальция, имитируя жесткую грунтовую или морскую воду. Версия катализатора без нанотрубок заметно теряла эффективность в жесткой воде, поскольку ионы в воде конкурировали с загрязнителями за активные поверхности и мешали действию реактивных частиц. Напротив, модифицированный нанотрубками композит удалял около 92% тетрациклина как в чистой, так и в жесткой воде, показывая, что его конструкция преодолевает многие обычные недостатки условий, богатых минералами.

От красителей до упрямых антибиотиков

Помимо антибиотиков, материал протестировали на метиленовом синем — распространенном тестовом красителе, представляющем многие промышленные красящие вещества. Путём точной настройки содержания нанотрубок учёные нашли оптимальную формулу с приблизительно 11% нанотрубок по массе. Эта версия разрушала более 90% красителя при видимом свете за два с половиной часа, заметно превосходя вариант без нанотрубок. Детальные измерения световой эмиссии, электрических свойств и удельной поверхности подтвердили, что нанотрубки создают множество локальных гетероструктур внутри порошка, ускоряющих разделение и перенос зарядов, что в свою очередь усиливает очищающую способность.

Сохранение активности при повторном использовании

Чтобы проверить практичность катализатора вне лаборатории, авторы провели несколько циклов очистки тетрациклинсодержащей жесткой воды. Даже после четырёх циклов материал по‑прежнему удалял более трёх четвертей антибиотика в тот же временной интервал реакции, а его внутренняя кристаллическая структура оставалась неизменной. Продвинутый химический анализ обработанной воды показал, что пик исходного антибиотика практически исчез, остались лишь более мелкие фрагменты, что подтверждает идею о том, что молекулы были тщательно разрушены, а не просто спрятаны на поверхностях частиц.

Что это значит для более безопасной воды

В целом эта работа демонстрирует, что аккуратное сочетание разных наноразмерных строительных блоков может дать порошок, активируемый видимым светом, который одновременно захватывает и разрушает стойкие водные загрязнители и сохраняет активность даже в жесткой, богатой минералами воде. Используя видимый свет — наиболее значимую часть солнечного спектра — такие материалы могут лечь в основу будущих систем очистки, которые тихо будут удалять антибиотики и красители из сточных вод прежде, чем они вернутся в реки, озёра и к водопроводным кранам.

Цитирование: Mohammaddarvish, S., Masoudi, A.A. & Hosseini, Z.S. Boosting visible-light photocatalysis with MWCNT-modified TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄: efficient tetracycline removal in pure and hard water. Sci Rep 16, 7848 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39505-4

Ключевые слова: фотокаталитическая очистка воды, удаление антибиотиков, нанокомпозит диоксида титана, углеродные нанотрубки, загрязнение жесткой водой