TiO2, допированный церием и самарием, для деградации красителя кристаллический фиолетовый в сточных водах методом фоторедукции

Почему важно очищать окрашенную воду

Ярко окрашенные сточные воды от текстильных и печатных предприятий могут казаться просто неэстетичными, но они скрывают серьёзные риски для здоровья и окружающей среды. Один распространённый краситель, кристаллический фиолетовый, особенно опасен: он токсичен, потенциально канцерогенен и плохо разрушается в естественных водоёмах. В этом исследовании рассматривается способ, приводимый в действие солнечным светом, который позволяет удалить такие устойчивые красители из воды с помощью наночастиц знакомого материала — диоксида титана — модифицированных малыми количествами редкоземельных металлов для повышения скорости и эффективности реакции.

Крошечные помощники, приводимые в действие светом

Суть работы — в процессе, называемом фотокатализом, когда свет возбуждает твёрдое вещество и делает его способным разрушать нежелательные соединения. Диоксид титана, уже применяемый в солнцезащитных кремах и красках, популярен как фотокатализатор благодаря стабильности, доступности и нетоксичности. Однако сам по себе он в основном реагирует на ультрафиолетовую составляющую света — небольшую часть солнечного спектра — и теряет значительную долю поглощённой энергии. Исследователи решили «прокачать» диоксид титана, добавив следовые количества двух редкоземельных элементов — церия и самария, — чтобы получить легированные наночастицы, которые лучше захватывают свет и дольше удерживают энергию, достаточную для разрушения молекул красителя.

Создание и проверка «умного» порошка

Для получения этих улучшенных порошков команда применила простую методику совместного осаждения: смешали коммерческий диоксид титана с солями церия и самария в воде и добавили основание для образования крошечных твёрдых частиц. После фильтрации, сушки и прокалки они получили наночастицы, содержащие примерно по 1% каждого металла. Набор лабораторных методов показал, что происходит внутри материала. Рентгеновские измерения показали, что частицы сохранили желаемую кристаллическую форму диоксида титана, при этом их атомная решётка немного растянулась, чтобы разместить более крупные ионы редкоземельных элементов. Инфракрасная спектроскопия и электронная микроскопия подтвердили равномерное распределение допантов, образование шероховатой пористой поверхности и отсутствие нежелательных агрегатов отдельных оксидов металлов.

Наблюдая за исчезновением красителя

Реальным испытанием было то, смогут ли эти порошки очистить воду от кристаллического фиолетового. Исследователи приготовили растворы красителя, подобные по концентрации промышленным стокам, и облучали их ультрафиолетом, помешивая небольшими количествами либо церий‑легированного, либо самарий‑легированного диоксида титана. Отслеживая выцветание с помощью УФ‑видимого спектрофотометра, они обнаружили, что оба модифицированных материала удаляют более 85–95% красителя, значительно опережая нелегированный диоксид титана. Частицы, легированные самарием, показали наилучший результат — около 95% удаления красителя примерно за 700 минут при выбранных условиях, тогда как вариант с церием отставал немного, но также демонстрировал высокую активность.

Как протекает разрушение

На микроскопическом уровне легированные частицы ведут себя как миниатюрные солнечные реакторы. При облучении светом электроны переводятся в состояние с более высокой энергией, оставляя после себя положительно заряженные «дыры». В обычном диоксиде титана эти заряды быстро рекомбинируют и энергия рассеивается в виде тепла. Добавленные церий и самарий действуют как стратегические ловушки, которые удерживают электроны или дыры достаточно долго, чтобы те вступили в реакцию с кислородом и водой на поверхности частицы. В результате образуются крайне реакционноспособные формы кислорода, которые атакуют сложные молекулы кристаллического фиолетового, расщепляя их на более мелкие фрагменты и в конечном счёте до безвредного диоксида углерода, воды и простых неорганических ионов. В исследовании также показано, что такие параметры, как pH, количество катализатора и интенсивность света, определяют, насколько эффективно разворачивается эта цепочка реакций.

От лаборатории к реальным стокам

Чтобы проверить работоспособность метода в более сложных смесях, команда испытала диоксид титана, легированный церием, на реальных сточных водах текстильного предприятия, содержащих несколько красителей и другие химические примеси. Даже в этих сложных условиях катализатор удалял до 88% окраски при облучении ультрафиолетом, и частицы оставались стабильными при многократном использовании. Поскольку процесс в основном опирается на свет и многоразовые порошки, он образует мало ила и не вносит новых токсичных веществ — преимущества по сравнению со многими традиционными методами очистки. Авторы делают вывод, что диоксид титана, легированный редкоземельными элементами, представляет собой перспективный и экологичный инструмент для очистки окрашенных сточных вод, и указывают на будущие версии, оптимизированные для эффективной работы при обычном солнечном освещении и в установках крупного масштаба.

Цитирование: Sharma, B., Mohan, C., Kumar, R. et al. Cerium and samarium doped TiO₂ for degradation of crystal violet dye in wastewater by photo-degradation method. Sci Rep 16, 12387 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43299-w

Ключевые слова: очистка сточных вод, фотокатализ, диоксид титана, легкоземельное легирование, текстильные красители