Кинетика и катализ, 2022, T. 63, № 2, стр. 187-192

ВВЕДЕНИЕ

Чистая питьевая вода – важный стратегический ресурс для человечества, так как в настоящее время все еще четверть населения планеты не имеет к ней постоянного доступа [1]. Помимо неорганических и органических частиц и растворенных в воде химических соединений опасность представляют также различные находящиеся в ней патогенные микроорганизмы, такие как бактерии, вирусы, простейшие, грибки [2, 3]. Обычные методы обеззараживания предполагают использование химических веществ, содержащих в большинстве случаев ионы хлора, которые сами по себе не менее опасны для людей, чем патогенные микроорганизмы [3].

Альтернативным способом дезинфекции является использование фотокаталитических реакции на поверхности полупроводников, приводящих к появлению радикал-ионов с высокой реакционной способностью: OH^•, ${\text{O}}_{2}^{{-- \bullet }}$ и ¹O₂, а также молекул H₂O₂, которые могут взаимодействовать с микроорганизмами, вызывая их гибель [4, 5]. Высокая эффективность фотокаталитической очистки воды была продемонстрирована при применении оксида титана (TiO₂) [6, 7] и оксида цинка (ZnO) в качестве фотокатализаторов [8, 9]. Большая ширина запрещенной зоны и положение энергетических зон этих материалов обеспечивают эффективный гетерогенный фотокатализ, но при этом спектр поглощения вышеуказанных оксидов сужается до ультрафиолетового (УФ) диапазона, составляющего только 4% от энергии солнечного излучения [6–9]. Поэтому необходим поиск других материалов, обладающих высокой фотокаталитической активностью, простотой получения и не содержащих редкие или дорогостоящие элементы.

Графитоподобный нитрид углерода (g-C₃N₄) является уникальным органическим полупроводником с шириной запрещенной зоны 2.70–2.88 эВ при комнатной температуре [10, 11], обладающий высокой химической и термической стойкостью. Он признан эффективным фотокаталитическим материалом, который можно использовать для генерации водорода, очистки воды от химических примесей и ее обеззараживания [10–12]. Структура материала представляет собой мономолекулярные графеноподобные слои соединенных между собой молекул гептазина, удерживаемых друг с другом силами Ван-дер-Ваальса, что делает ее схожей со структурой графита [10, 13]. В связи с этим можно ожидать схожего механизма воздействия g-C₃N₄ на патогенные микроорганизмы, когда антибактериальный эффект достигается за счет как физического, так и химического взаимодействия [14–17]. Непосредственный контакт наночастиц или отдельных монослоев g‑C₃N₄ с белковой мембраной микроорганизма способен приводить к ее механическому повреждению и гибели организма вследствие утечки внутриклеточного матрикса. Кроме того, окислительный стресс повреждает ДНК и вызывает митохондриальную дисфункцию, что ведет к ингибированию размножения и роста бактерий [18].

Для повышения эффективности g-C₃N₄ для очистки и обеззараживания воды на его основе создают гетероструктуры, включающие различные широкозонные полупроводники, такие как ZnO, TiO₂, ZrO₂, ZnS, SiC или органические материалы [19–23], которые сами по себе также являются эффективными фотокатализаторами [24]. Для получения гетероструктур на основе g-C₃N₄ обычно используются многошаговые методы, в которых последовательно формируется ядро из g-C₃N₄, которое покрывается оболочкой из широкозонного полупроводника.

В настоящей работе применен другой принцип создания гетероструктур g-C₃N₄/широкозонный полупроводник, предусматривающий одновременное пиролитическое разложение исходных веществ – прекурсоров – и in situ образование гетероструктуры при использовании ацетата цинка для получения частиц широкозонных оксида и сульфида цинка в составе гетероструктуры, и проведена оценка их эффективности для очистки воды от санитарно значимых микроорганизмов по сравнению с чистым g-C₃N₄.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Чистый g-C₃N₄ синтезировали методом пиролитического разложения прекурсоров с их последующей термической полимеризацией, описанный в работах [25, 26]. В качестве прекурсора применяли тиомочевину, навеску которой размещали в керамическом тигле, который затем герметизировали массивной крышкой через прокладку, выполненную из алюминиевой фольги. Это обеспечивало квазигерметичные условия, при которых избыточные газы могли покидать объем тигля, но при этом проникновение веществ извне было ограничено. Подготовленный таким образом тигель помещали в муфельную печь, нагревали до целевой температуры 500°С в течение 2 ч и выдерживали при ней 30 мин. Постепенное охлаждение тигля происходило в течение 8 ч. Полученный материал извлекали из тигля и механически измельчали до порошкообразного состояния с размером частиц менее 10 мкм.

Синтез гетеросистем на основе графитоподобного нитрида углерода, оксида и сульфида цинка также проводили методом пиролитического разложения прекурсоров с их последующей термической полимеризацией. В данном случае в качестве исходных соединений, как и в работах [27, 28], использовали тиомочевину и ацетат цинка. Равные по массе навески этих веществ помещали в керамический тигель, герметизировали и нагревали в муфельной печи до заданной температуры, равной 500°С.

Структура и состав полученных материалов были изучены методами растровой электронной микроскопии на электронном микроскопе S-4200 (“Hitachi”, Япония), рентгеновского микроанализа на спектрометре QUANTAX 200 (“Bruker”, Германия) и рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре ДРОН-3 (Россия) с источником CuK_α-излучения (λ = 1.54179 нм).

Токсическое воздействие фотокатализатора оценивали при помощи биосенсора “Эколюм” (Россия), основанного на лиофилизированной культуре специально подобранного генно-инженерного штамма люминесцентных бактерий кишечной палочки Escherichia coli (Е. coli) с внедренным lux-опероном. Представители бактерий кишечной группы являются санитарно-значимыми и могут контаминировать водные источники. Поэтому они хорошо подходят в качестве модельного загрязнителя, который может быть удален фотокаталитическим методом.

Воздействие фотокатализаторов на культуры бактерий оценивали при помощи прибора экологического контроля Биотокс-10М (“НЕРА-С”, Россия) путем сравнения интегральной люминесценции содержащих бактерии проб в присутствии частиц фотокатализатора и контрольных проб без фотокатализатора. Индекс токсичности T, %, определяли как процентное отношение изменения интенсивности свечения контрольной пробы I₀ без фотокатализатора и пробы с фотокатализатором I_F, к интенсивности свечения контрольной пробы I₀.

Перед проведением измерений токсичности образцов биосенсор “Эколюм” регидрировали путем добавления в стеклянную емкость с биосенсром 10 мл стерильной дистиллированной воды и выдерживания полученной суспензии при комнатной температуре в течение 30 мин. Затем в кюветы прибора экологического контроля Биотокс-10М помещали 0.1 мл рабочей суспензии бактерий и 0.9 мл взвеси частиц порошка исследуемого образца в дистиллированной воде. В контрольные пробы вместо этого добавляли 0.9 мл стерильной дистиллированной воды. Суммарный объем проб составлял, таким образом, 1 мл. Концентрацию частиц фотокатализатора в результирующей пробе изменяли от 0.1 до 0.3 г/л. Измерение токсичности проб проводили через 30 мин экспозиции. Часть проб, содержащих частиц материалов на основе нитрида углерода, была выдержана под воздействием УФ-излучения в течение 30 мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате термообработки тиомочевины при 500°С в закрытом тигле был получен твердый материал светло-желтого цвета, обладающей сложной микроструктурой, включающей большое число объектов – пластинок и частиц размером от 1 до 10 мкм – хаотично соединенных друг с другом (рис. 1а). По данным рентгеновского микроанализа синтезированный материал содержит углерод и азот в соотношении С_C/С_N = 0.48 (табл. 1). Эта величина меньше соответствующего стехиометрическому значения (0.75), что связано с неполной полимеризацией материала и так называемым “кинетическим ограничением”, обусловленным разложением образующегося g-C₃N₄ с выделением и испарением углеродсодержащих веществ (в частности, HСN) в процессе синтеза [17–19]. Концентрация кислорода в материале составляет 5.43 ат. %.

Рис. 1.

Электронные микрофотографии поверхности порошка, полученного термообработкой тиомочевины (а), и композита тиомочевина/ацетат цинка (б).

Материал, полученный в результате термообработки смеси тиомочевины и ацетата цинка, также представляет собой твердый порошок желто-коричневого цвета, но имеет нескольку другую микроструктуру, содержащую более крупные кристаллиты (рис. 1б). Соотношение углерода и азота равно 0.82, что превышает стехиометрическую величину 0.75. Это указывает на присутствие остаточного углерода, появление которого в осадке может быть следствием разложения кислотного остатка уксусной кислоты (CH₃COO^–) в составе ацетата цинка в замкнутом объеме тигля. Соотношение С_Zn/С_S составляет 1.64, что превышает стехиометрическую величину равную единице. Наличие избыточного цинка может быть связано с кислородом, концентрация которого в достигает 7.45 ат. %. Это на 2 ат. % больше концентрации кислорода в материале, сформированном при отжиге тиомочевины, и близко к количеству свободного цинка, что говорит о возможности существования фазы ZnO.

На рентгеновских дифрактограммах образцов (рис. 2) можно выделить линии, соответствующие отражению от кристаллографических плоскостей с индексами (210), (002) и (600) g-C₃N₄, находящихся на углах 2θ = 12.75°, 27.65° и 44.45° [21]. На дифрактограмме образца, синтезированного из смеси тиомочевины и ацетата цинка, присутствует большое число рефлексов, относящихся к отражениям от различных кристаллографических плоскостей ZnS с кубической кристаллической решеткой типа сфалерита и ZnO с гексагональной решеткой типа вюрцита. Самый интенсивный пик при угле 2θ = 27.5° соответствует плоскости ZnS (111), остальные пики связаны с отражением от плоскостей: ZnS (200) при 2θ = 33.2°, ZnS (220) или ZnO (102) при 47.6°, ZnS (311) или ZnO (110) при 56.5°, ZnS (400) или ZnO (201) при 69.5°, ZnS (331) или ZnO (202) при 76.9° [28].

Рис. 2.

Рентгеновские дифрактограммы порошка, полученного термообработкой тиомочевины, и композита тиомочевина/ацетат цинка.

Прокариотические тест-модели хорошо подходят для оценки показателей биологического действия, интегральной токсичности и антимикробного потенциала в отношении инновационных технологий и материалов [6, 29–32]. Результаты оценки показателя интегральной токсичности полученных материалов (рис. 3) показывают, что эффективность их разрушающего воздействия на условно-патогенные микроорганизмы Е. coli без выдержки под УФ-излучением линейно увеличивается пропорционально их концентрации. Токсичность частиц, синтезированных из смеси тиомочевины и ацетата цинка, в среднем выше на 10–11%.

Рис. 3.

Эффективность воздействия полученных материалов на патогенные микроорганизмы до и после воздействия УФ-излучением.

Облучение УФ-светом приводит к возрастанию индекса токсичности T на 10–20% и изменению характера зависимости его величины от концентрации исследуемых материалов в растворе от линейной к экспоненциальной. При концентрациях более 0.2 г/л она превышает 50%, что позволяет отнести полученные материалы к веществам с высокой токсичностью.

В соответствии с результатами рентгеновского микроанализа и рентгеновской дифрактометрии, синтезированный в результате пиролитического разложения тиомочевины материал представляет собой поликристаллический объемный g-C₃N₄ с хаотически расположенными кристаллитами. Добавление в состав исходных реагентов ацетата цинка приводит к формированию кристаллов ZnS и ZnO, которые оказываются встроенными в матрицу C₃N₄. Такой материал может быть обозначен как тройная гетеросистема – g-C₃N₄/ZnO/ZnS. Подробно процесс образования тройной наногетеросистемы путем пиролитического разложения тиомочевины и ацетата цинка был описан в [27, 28]. В этом процессе образующийся в результате разложения тиомочевины сероводород реагирует с оксидом цинка, являющимся продуктом разложения ацетата цинка, с формированием сульфида цинка в условиях ограниченного доступа кислорода.

Увеличение токсичности частиц чистого g-C₃N₄ при повышении их концентрации в растворе без освещения УФ-светом показывает, что они проявляют схожее с графеном [14–16] механическое токсическое воздействие на микроорганизмы, приводя при непосредственном соприкосновении к разрушению их клеточных оболочек. Продемонстрированная эффективность тройной гетеросистемы g-C₃N₄/ZnO/ZnS оказалась выше за счет дополнительного токсикологического действия при прямом контакте наночастиц ZnO и ZnS с протеиновыми оболочками бактерий. При таком контакте может происходить обмен электронами, приводящий к окислительному стрессу микроорганизмов [33–35] или фосфатному истощению их оболочек [33, 36].

При облучении УФ-излучением носители заряда генерируются как в g-C₃N₄, так и в наночастицах ZnO и ZnS, которые затем участвуют в образовании гидроксильных радикал-ионов OH^•, ионов супероксида ${\text{O}}_{2}^{{-- \bullet }}$ и синглетного кислорода ¹O₂. Обладающие высокой окислительной способностью ионы реагируют с клеточными мембранами бактерий, вызывая их разрушение, что приводит к наблюдаемому росту токсического действия чистого g-C₃N₄ и гетеросистемы g-C₃N₄/ZnO/ZnS.

Разность эффективности g-C₃N₄/ZnO/ZnS и чистого g-C₃N₄ при облучении светом УФ-диапазона уменьшается по сравнению с результатами, полученными при отсутствии облучения, но при этом у гетеросистемы она остается все же несколько выше. Это указывает на более интенсивный фотокаталитический процесс, связанный с участием как электронов, так и дырок, что достигается за счет большей ширины запрещенной зоны ZnO и ZnS по сравнению с g-C₃N₄. Однако высокая эффективность при обеззараживании воды у чистого g-C₃N₄ сохраняется благодаря большой удельной площади поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тройная гетеросистема g-C₃N₄/ZnO/ZnS, полученная in situ в одном процессе методом термического разложения тиомочевины и ацетата цинка при температуре 500°С, продемонстрировала фотокаталитическую эффективность при облучении светом УФ-диапазона на микроорганизмы на примере Е. coli до 75.6% при максимальной исследованной концентрации 0.3 г/л. Фотокаталитическое воздействие гетеросистемы g-C₃N₄/ZnO/ZnS несколько выше, чем чистого g-C₃N₄, полученного при тех же условия, что обусловлено гетерогенным характером фотокаталитического процесса на поверхности кристаллов широкозонных полупроводников ZnO и ZnS.

Без облучения светом УФ-диапазона частицы чистого g-C₃N₄ и системы g-C₃N₄/ZnO/ZnS также обладают высокой токсичностью, связанной с механическим токсическим воздействием на микроорганизмы, приводящим при непосредственном соприкосновении к разрушению их клеточных оболочек. При этом g-C₃N₄/ZnO/ZnS проявляет бóльшую эффективность за счет токсикологического действия наночастиц ZnO и ZnS при их прямом контакте с протеиновыми оболочками бактерий.