Fotokatalizatory przyszłości: jak tlenek niobu może pomóc oczyścić wodę?

Czy światło może oczyszczać wodę? W najnowszym projekcie badawczym dr inż. Bożeny Marty Pilarek sprawdzamy, jak wykorzystać niezwykłe właściwości tlenku niobu(V) oraz jego związków z wapniem i neodymem, by stworzyć nowoczesne materiały fotokatalityczne. Cel? Skuteczne usuwanie mikrozanieczyszczeń organicznych z wody, która ma kontakt z żywnością – w sposób bezpieczny, energooszczędny i zgodny z ideą zrównoważonego rozwoju.

Projekt łączy nowoczesną naukę materiałową z realnymi potrzebami przemysłu i społeczeństwa. To przykład innowacji, która wpisuje się w globalne cele środowiskowe, zdrowotne i regulacyjne – a także w standardy ESG (Environmental, Social, Governance).

Tlenek niobu i jego związki – nowi bohaterowie walki z zanieczyszczeniami

Tlenek niobu(V), Nb₂O₅, to związek, który łączy w sobie wyjątkowe cechy: szerokie pasmo wzbronione (czyli zdolność pochłaniania światła UV), wysoką odporność chemiczną i strukturalną oraz potencjał do modyfikacji – co czyni go idealnym kandydatem do roli fotokatalizatora. Co więcej, wcześniejsze badania pokazują, że jeszcze ciekawsze właściwości można uzyskać, tworząc układy wielotlenkowe, takie jak:

• CaO–Nb₂O₅ – z udziałem wapnia,
• Nd₂O₃–Nb₂O₅ – z dodatkiem neodymu,
• CaO–Nd₂O₃–Nb₂O₅ – złożony, trójskładnikowy układ.

Te materiały nie tylko dobrze znoszą działanie promieniowania UV, ale też oferują szerokie możliwości w zakresie modyfikacji ich właściwości powierzchniowych, co ma kluczowe znaczenie w procesach fotokatalizy.

Dzięki ich modyfikowalnej strukturze, wysokiej odporności chemicznej i szerokiemu pasmu wzbronionemu, mogą one skutecznie aktywować reakcje rozkładu zanieczyszczeń pod wpływem światła UV – bez tworzenia toksycznych produktów ubocznych.

Mikrozanieczyszczenia – trudne do wykrycia, ale nie do usunięcia

Woda używana w przemyśle spożywczym może zawierać śladowe ilości pozostałości pestycydów, barwników, konserwantów czy farmaceutyków – nawet w bardzo niskich stężeniach mogą one stwarzać ryzyko dla zdrowia. Klasyczne metody oczyszczania nie zawsze są skuteczne, a ich wdrożenie bywa kosztowne. W tym kontekście fotokataliza – proces, w którym światło UV aktywuje materiał prowadzący do rozpadu zanieczyszczeń na nieszkodliwe produkty – jawi się jako rozwiązanie przyszłości.

Jak powstają te materiały?

W projekcie zastosowane zostaną dwie komplementarne metody syntezy:

1. Synteza ceramiczna

Klasyczna metoda w chemii ciała stałego. Surowce są mieszane i podgrzewane do wysokich temperatur, aż do uzyskania reakcji i utworzenia stabilnych faz krystalicznych. Daje to materiały o wysokiej czystości i dużych rozmiarach krystalitów – idealne do badań podstawowych i optymalizacji składu chemicznego.

2. Synteza hydrotermalna

Bardziej zaawansowana, ale i wymagająca technika. Przebiega w środowisku wodnym pod wysokim ciśnieniem i temperaturą. Umożliwia otrzymanie nanostruktur o kontrolowanej morfologii, wysokiej powierzchni właściwej i zróżnicowanej strukturze powierzchniowej – co przekłada się na lepszą aktywność fotokatalityczną. W projekcie zostaną zoptymalizowane kluczowe parametry tej metody: temperatura, ciśnienie, czas trwania procesu oraz dobór prekursorów.

Od struktury do działania: kompleksowa analiza materiałów

Aby zrozumieć, jak powstaje skuteczny fotokatalizator, nie wystarczy wiedzieć, z czego się składa. Trzeba zajrzeć głębiej – aż na poziom struktury krystalicznej i powierzchni atomowej. W tym celu wykorzystane zostaną nowoczesne techniki badawcze:

• PXRD (dyfrakcja rentgenowska proszkowa) – do określenia faz krystalicznych, ich czystości i rozmiaru krystalitów.
• SEM (skaningowa mikroskopia elektronowa) – pozwoli przyjrzeć się morfologii: kształtom, rozmiarom i jednorodności cząstek.
• BET (analiza powierzchni właściwej) – kluczowa dla oceny ilości dostępnych miejsc reakcji.
• UV-Vis DRS (spektroskopia odbiciowa) – umożliwi pomiar zdolności absorpcyjnych materiałów i obliczenie szerokości pasma wzbronionego (Eg).
• XPS (spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich) – opcjonalnie używana do identyfikacji składu chemicznego powierzchni i stanów utlenienia, które wpływają na mechanizmy działania fotokatalizatora.

Jak testujemy skuteczność?

Aby ocenić skuteczność opracowywanych materiałów fotokatalitycznych, badania zostaną przeprowadzone z wykorzystaniem dwóch starannie dobranych modelowych zanieczyszczeń organicznych, reprezentujących najczęściej występujące klasy substancji obecnych w wodach technologicznych i powierzchniowych:

• Błękit metylenowy – klasyczny modelowy barwnik, często stosowany jako reprezentant barwników spożywczych. Ze względu na swoją stabilność i wyraźne właściwości chromoforowe, doskonale nadaje się do oceny efektywności degradacji w warunkach fotokatalitycznych.
• Atrazyna – szeroko stosowany herbicyd, często wykrywany w wodach gruntowych i powierzchniowych. Jego obecność jest szczególnie istotna ze względu na trwałość chemiczną i potencjalny wpływ na zdrowie ludzi i ekosystemy.

Lub

• Ibuprofen (alternatywnie do atrazyny) – przedstawiciel grupy farmaceutyków obecnych w środowisku wodnym, który trafia do ścieków w wyniku powszechnego stosowania w medycynie. Jest stosowany jako modelowy zanieczyszczający w badaniach nad technologiami oczyszczania wody, ze względu na swoją częstotliwość wykrycia oraz odporność na biodegradację.

W projekcie zostanie wykorzystany błękit metylenowy oraz jeden z dwóch pozostałych związków – atrazyna lub ibuprofen – w zależności od wyników badań wstępnych oraz możliwości analitycznych. Takie podejście pozwoli na ocenę skuteczności fotokatalizatorów zarówno wobec prostej cząsteczki barwnika, jak i bardziej złożonych związków biologicznie czynnych o różnej strukturze chemicznej i trudności degradacji.

Zrównoważony rozwój w praktyce: ESG w centrum projektu

Environmental (Środowisko):
Projekt wspiera rozwój technologii oczyszczania wody bez użycia szkodliwych chemikaliów. Fotokataliza to proces niskoemisyjny, energooszczędny i przyjazny dla środowiska – wpisujący się w cele Europejskiego Zielonego Ładu i transformacji w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym.

Social (Społeczny):
Bezpieczna woda to fundament zdrowia publicznego. Projekt dotyczy usuwania substancji takich jak pestycydy, barwniki czy farmaceutyki – które coraz częściej wykrywane są w wodach powierzchniowych. Innowacje powstałe w ramach projektu mogą wpłynąć na poprawę jakości życia społeczeństwa i bezpieczeństwa żywności.

Governance (Zarządzanie):
Projekt realizowany jest zgodnie z wysokimi standardami naukowymi i etycznymi, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach transparentnego konkursu MINIATURA. Rezultaty mogą posłużyć jako podstawa do aplikowania o kolejne finansowania (np. NCN SONATA) oraz rozwinięcia współpracy międzynarodowej w ramach programów MSCA i COST.

Cele Zrównoważonego Rozwoju (SDG), które wspiera projekt:

Projekt wpisuje się w realizację następujących Celów Zrównoważonego Rozwoju ONZ (Sustainable Development Goals – SDGs):

Cel 3: Dobre zdrowie i jakość życia
Poprzez badania nad naturalnymi związkami o działaniu hepatoprotekcyjnym, przeciwutleniającym i przeciwcukrzycowym, projekt wspiera rozwój funkcjonalnej żywności i nutraceutyków, które mogą wspomagać profilaktykę chorób cywilizacyjnych.

Cel 9: Innowacyjność, przemysł, infrastruktura
Projekt wykorzystuje nowoczesne technologie analityczne i fizykochemiczne (mikrofale, spektroskopia, chromatografia) oraz proponuje innowacyjne podejście do zwiększania wartości biologicznej roślin, co może znaleźć zastosowanie przemysłowe.

Cel 12: Odpowiedzialna konsumpcja i produkcja
Badania przyczyniają się do opracowania bardziej zrównoważonych metod przetwarzania i wzbogacania roślinnych surowców spożywczych – bez użycia syntetyków czy modyfikacji genetycznych.

Cel 13: Działania w dziedzinie klimatu
Zastosowanie energooszczędnych technologii, takich jak mikrofale i światło LED, przyczynia się do ograniczania emisji i promuje niskoemisyjne metody produkcji żywności funkcjonalnej.

Co dalej? Gdzie może znaleźć zastosowanie ta technologia?

Projekt realizowany w ramach konkursu MINIATURA 9 to ważny krok w kierunku opracowania zaawansowanych materiałów do oczyszczania wody – zarówno tej pitnej, jak i technologicznej.

Uzyskane dane stanowić będą fundament do przyszłych badań, w tym rozwoju materiałów domieszkowanych (np. Fe, Cu, La), testowania w warunkach rzeczywistych oraz wdrażania ich w:

• W reaktorach UV do oczyszczania wody technologicznej,
• W membranowych filtrach fotokatalitycznych,
• W hybrydowych systemach oczyszczania wody dla przemysłu spożywczego,
• W przyszłości – być może nawet w rozwiązaniach konsumenckich (domowe filtry wody klasy premium)

Co więcej, projekt może otworzyć drogę do współpracy międzynarodowej w ramach inicjatyw takich jak sieci COST, programy Horyzontu Europa, MSCA i innych, skupionych na rozwoju innowacyjnych technologii środowiskowych.

Linki zewnętrzne:

Więcej informacji o projekcie w Bazie Wiedzy WIR