Улучшенная фотокаталитическая и антибактериальная эффективность композитов LaMnCeO3/TiO2, модифицированных Ti3C2Tx MXene, для эффективного разложения метилового красного

Очистка цветной воды

Многие предприятия сбрасывают ярко окрашенные красители в реки и озёра, где они могут долго сохраняться и вредить экосистемам. Инженеры ищут способы использовать свет, а не агрессивные химикаты, чтобы разрушать эти красители до безвредных веществ. В этой статье описан новый светочувствительный материал, который очень эффективно удаляет распространённый красный краситель из воды, при этом в основном не вредя полезным микроорганизмам — привлекательное сочетание для промышленных очистных сооружений.

Новый рецепт для очистки под действием света

Исследователи создали трёхкомпонентную «платформу очистки», сочетая три передовых материала: диоксид титана (классический светочувствительный белый порошок), перовскитовый оксид, содержащий лантан, марганец и церий, и листовой проводник, называемый MXene. Вместе они образуют крошечные композитные частицы размером в несколько миллиардных долей метра, размещённые на тонких слоистых листах MXene. Электронные микроскопические изображения показывают в основном сферические частицы, закреплённые на этих листах, а картирование элементов подтверждает равномерное распределение всех ключевых компонентов. Измерения кристаллической структуры и химии поверхности указывают на то, что три компонента образуют хорошо организованную пористую сеть с множеством доступных щелей и впадин, где могут протекать реакции.

Максимальное использование видимого света

Сами по себе многие светочувствительные порошки испытывают трудности из‑за того, что генерируемые при облучении заряды быстро рекомбинируют. Тщательно регулируя содержание лантана, марганца и церия, команда смогла настроить поглощение света и перенос зарядов в композите. Оптические тесты показали, что разные соотношения компонентов сдвигают энергетическую щель материала, изменяя его отклик на видимый свет. Электрические и люминесцентные измерения продемонстрировали, что при размещении частиц на проводящих листах MXene электроны быстро утекают от места генерации вместо рекомбинации с дырками. Это разделение зарядов критично, поскольку позволяет электронам и дыркам встречаться с кислородом и водой на поверхности и превращаться в агрессивные кратковременные окислители.

Разложение упорного красного красителя

Для проверки новых материалов учёные сосредоточились на метиловом красном, широко используемом лабораторном красителе, служащем моделью для аналогичных промышленных красителей. При облучении видимым светом воды с красителем и нанокомпозитом красный цвет быстро исчезал. Одна из версий, обозначенная LMC-112, показала наивысшее однопроходное удаление — более 95 процентов в кислых условиях — тогда как LMC-111 обеспечивала наилучшее сочетание эффективности и долговременной стабильности. Команда исследовала влияние кислотности, температуры, концентрации красителя и времени реакции на эффективность, а также использовала статистические методы для определения режимов работы, которые максимизируют удаление цвета при минимальных затратах экспериментов. Они также сравнили трёхкомпонентный композит с каждым компонентом по отдельности и обнаружили, что полная комбинация постоянно превосходит отдельные части, что подчёркивает сильный синергетический эффект.

Как разрушается краситель

Дополнительные эксперименты выясняли, какие реактивные частицы действительно выполняют работу. Добавляя химические вещества, селективно блокирующие различные радикалы, исследователи показали, что ведущую роль играют гидроксильные радикалы — высокореактивные формы кислорода, тогда как супероксид и положительные дырки вносят меньший вклад. В предложенной схеме видимый свет возбуждает электроны в диоксиде титана и перовскитовых компонентах в более энергетические состояния. MXene затем действует как проводящая магистраль, уводя электроны и восстанавливая кислород на поверхности, в то время как оставшиеся дырки способствуют распаду воды с образованием гидроксильных радикалов. Эти мимолётные окислители атакуют азот‑азотную связь и ароматические кольца в молекулах красителя, превращая сложные окрашенные молекулы в более мелкие, бесцветные фрагменты и в конечном итоге в углекислый газ, воду и нитрат.

Щадящее отношение к полезным микроорганизмам

Многие современные фотокатализаторы направлены на уничтожение бактерий наряду с разложением загрязнителей, но это может быть недостатком в системах очистки, которые зависят от здоровых микробных сообществ. В данном случае испытания на двух модельных бактериях — одной грамположительной и одной грамотрицательной — показали практически отсутствие антибактериального эффекта, даже при облучении. На чашках с культурами не образовывались зоны, свободные от роста, а жидкие культуры продолжали развиваться в присутствии нанокомпозита. Эта биологическая нейтральность указывает на то, что вспышки радикалов у поверхности катализатора достаточно сильны, чтобы разрывать молекулы красителя, но слишком локализованы или короткоживущи, чтобы серьёзно повредить свободноплавающие микроорганизмы.

Перспективы для реальной очистки воды

В совокупности результаты рисуют картину прочного, настраиваемого материала, который использует видимый свет для удаления красителей из воды цикл за циклом, не выступая в роли широкоспектрового дезинфектора. Тщательно спроектированная смесь диоксида титана, перовскитового оксида и MXene обеспечивает эффективное разделение зарядов и генерацию радикалов, а мезопористая структура предоставляет много пространства для адсорбции молекул красителя и их атаки. Для очистных сооружений, которым необходимо удалять стойкие красители и при этом сохранять полезные бактерии в последующих биологических блоках, такой селективный фотокатализатор может стать ценным элементом более экологичной системы очистки.

Цитирование: Parsafard, N., Riahi-Madvar, A. Enhanced photocatalytic and antibacterial performance of LaMnCeO₃/TiO₂ composites modified with Ti₃C₂T_x MXene for efficient methyl red degradation. Sci Rep 16, 12322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41059-4

Ключевые слова: очистка сточных вод, фотокаталитическое разложение красителей, нанокомпозитный катализатор, фотокатализ видимым светом, восстановление окружающей среды