Ученые разработали магнитоэлектрический нанокомпозит на основе поливинилиденфторида и наночастиц феррита висмута, способный эффективно разрушать органические загрязнители под действием света и ультразвука, а также генерировать электрический заряд при механическом воздействии и в магнитном поле. В экспериментах с модельным загрязнителем метиленовым синим материал показал до 97% эффективности при облучении светом и 83% при действии ультразвука. Кроме того, при сжатии и ультразвуковой обработке напряжение композита увеличилось в 1,9 раза по сравнению с чистым полимером, и при этом материал накапливал электромагнитную энергию. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymer.
В современной физике и химии востребованы материалы, которые могут одновременно служить катализаторами, то есть ускорять химические реакции, и генерировать энергию. Одно из перспективных решений в этом направлении — полимерные нанокомпозиты на основе поливинилиденфторида и наночастиц феррита висмута. Поливинилиденфторид — полимер, способный преобразовывать механическую энергию в электричество, а феррит висмута — магнитоэлектрический наноматериал, под действием света осуществляющий химические превращения. Их сочетание позволяет создавать интеллектуальные материалы с возможностью самозахвата энергии из окружающей среды.
Ученые из Дагестанского государственного университета (Махачкала) синтезировали композитные пленки, включив наночастицы феррита висмута в матрицу поливинилиденфторида. Эксперименты показали, что материал в течение часа под действием ультрафиолета разлагает органический краситель метиленовый синий, широко используемый в медицине, красильной и химической промышленности, с эффективностью до 97%. При ультразвуковой обработке эффективность достигла 83%.
Авторы проанализировали механизм реакции и выяснили, что ключевую роль в разрушении красителя играют гидроксильные радикалы — частицы, образующиеся под воздействием света и ультразвука. Они атакуют молекулы загрязнителя, вызывая последовательные химические превращения и изменение структуры молекулы. Дополнительно ученые обнаружили, что композит способен разлагать загрязнители даже в переменном магнитном поле низкой частоты, сопоставимом с магнитным полем вблизи мощного динамика. При этом эффективность разложения достигла 38% без дополнительного светового или ультразвукового воздействия. Это открывает новые возможности для создания магнитоуправляемых катализаторов, которые могут работать в слабых переменных магнитных полях.
Еще одна важная особенность нового материала — его способность собирать и накапливать энергию. При воздействии ультразвука и механическом сжатии напряжение в композите увеличивалось в 1,9 раза по сравнению с чистым поливинилиденфторидом. Кроме того, благодаря магнитоэлектрическому эффекту материал генерировал электрический заряд даже под воздействием слабого переменного магнитного поля. В экспериментах пленка, помещенная рядом с электрическим проводом бытового прибора, смогла собирать так называемую паразитную электромагнитную энергию — слабые электромагнитные поля, которые возникают вокруг работающих электрических устройств и обычно остаются неиспользованными.
«Разработанный нами материал совмещает каталитические и энергетические функции, что делает его перспективным для создания экологичных технологий очистки воды, автономных датчиков и энергоэффективных устройств. В дальнейшем мы планируем исследовать возможность интегрировать подобные композиты в гибкие источники питания и системы накопления энергии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фарид Оруджев, кандидат химических наук, заведующий лабораторией Smart Materials Дагестанского государственного университета.
В исследовании принимали участие сотрудники Института физики имени Х.И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала), Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград), Почвенного института имени В.В. Докучаева (Москва) и Национального инженерного института (Индия).
Информация предоставлена пресс-службой Российского научного фонда
Источник фото: ru.123rf.com
