تصفیه هوشمند آب با کاتالیست نانویی

همکاری دانشگاه تربیت‌مدرس با مراکز بین‌المللی، محصولی به نام «کاتالیست اصلاح‌شده» تولید کرد که با هدف قرار دادن دقیق مولکول‌های آلاینده، چرخه عمر تصفیه آب را به شدت کاهش داده و گامی بلند در جهت حل بحران آلودگی‌های کشاورزی در منابع آبی جهان برداشته است.

به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با همکاری چند مرکز علمی بین‌المللی در اسپانیا و چین، روشی نوآورانه برای ارتقای عملکرد چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) ارائه کرده‌اند که می‌تواند آلاینده‌های مقاوم آبی را سریع‌تر و مؤثرتر حذف کند.

در این طرح، ساختار ماده UiO-۶۶(Ce) با استفاده از مهندسی اسیدی اصلاح شد تا سایت‌های فلزی پنهان و غیرفعال آن آشکار شوند. نتیجه این تغییر، افزایش چشمگیر تعداد مراکز فعال کاتالیستی، پایداری بیشتر و تجزیه بسیار سریع‌تر علف‌کش آترازین بود. این ماده اصلاح‌شده توانست سرعت حذف آترازین را ۵٫۷ برابر نسبت به نمونه اولیه و ۱۷٫۷ برابر نسبت به ازن‌زنی معمولی افزایش دهد. آترازین یکی از آلاینده‌های نگران‌کننده در منابع آب جهان است و حذف آن با روش‌های رایج همواره چالش‌برانگیز بوده است. این دستاورد می‌تواند راه تازه‌ای برای طراحی نسل جدید کاتالیست‌های نانویی در تصفیه آب و حفاظت محیط زیست فراهم کند.

آلودگی منابع آب به ترکیبات شیمیایی پایدار، به یکی از جدی‌ترین دغدغه‌های زیست‌محیطی جهان تبدیل شده است. در میان این آلاینده‌ها، آفت‌کش‌ها جایگاه ویژه‌ای دارند؛ موادی که برای افزایش بهره‌وری کشاورزی استفاده می‌شوند، اما بخشی از آن‌ها سرانجام راه خود را به رودخانه‌ها، سفره‌های زیرزمینی و آب آشامیدنی باز می‌کنند. بشر طبق سنت قدیمی‌اش، ابتدا چیزی می‌سازد، همه‌جا پخش می‌کند و بعد تازه دنبال راه جمع‌کردنش می‌گردد.

یکی از شناخته‌شده‌ترین این ترکیبات، آترازین است؛ علف‌کشی پرکاربرد که به دلیل پایداری بالا و احتمال اثرات زیستی نامطلوب، سال‌هاست مورد توجه پژوهشگران محیط زیست قرار دارد. حذف این ماده از آب با روش‌های متداول ساده نیست و نیاز به فناوری‌های پیشرفته‌تری دارد.

در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با همکاری دانشگاه صنعتی ژجیانگ، دانشگاه پلی‌تکنیک مادرید، مؤسسه فناوری هاربین و چند مرکز علمی دیگر، موفق به توسعه کاتالیستی نوین شده‌اند که می‌تواند آترازین را با سرعت بسیار بالاتر از روش‌های رایج تجزیه کند.

این پژوهش بر پایه چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOFs انجام شده است؛ خانواده‌ای از مواد پیشرفته که به دلیل ساختار متخلخل، سطح ویژه بالا و قابلیت تنظیم شیمیایی، در سال‌های اخیر توجه گسترده‌ای در حوزه جذب، ذخیره‌سازی گاز، دارورسانی و کاتالیز جلب کرده‌اند.

MOFها را می‌توان شبکه‌هایی منظم از یون‌های فلزی و لیگاندهای آلی دانست که مانند داربست‌هایی در مقیاس نانو ساخته می‌شوند. در این پروژه، پژوهشگران روی ماده‌ای به نام UiO-۶۶(Ce) تمرکز کردند؛ ساختاری مبتنی بر عنصر سریم که پتانسیل خوبی برای واکنش‌های کاتالیستی دارد.

با وجود این مزایا، یکی از مشکلات اصلی MOFها آن است که بسیاری از سایت‌های فعال فلزی درون ساختار پنهان می‌مانند و در دسترس آلاینده‌ها قرار نمی‌گیرند. یعنی ماده ظاهراً پرتوان است، اما بخش مهمی از ظرفیتش پشت دیوارهای خودش مخفی شده؛ تصویری آشنا در جهان سازمانی انسان‌ها.

پژوهشگران برای رفع این محدودیت، روشی نوین به نام مهندسی لیگاند با کمک اسید ارائه کردند. در این روش ابتدا از اسید فرمیک در ساختار استفاده شد و سپس تیم تحقیقاتی با تیمار اسید کلریدریک (HCl)، بخشی از ترکیبات مزاحم را حذف کرد تا ساختار اصلاح‌شده‌ای با نام UiO-۶۶-F-H به دست آید.

دست‌کاری کنترل‌شده ساختار MOF در مقیاس نانو باعث شد تعداد بیشتری از اتم‌های سریم با هماهنگی ناقص در سطح ماده آشکار شوند. این اتم‌ها به عنوان سایت‌های اسیدی لوئیس عمل می‌کنند؛ مراکزی فعال که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را تسریع کنند.

نتایج نشان داد این اصلاح ساختاری، تعداد سایت‌های اسیدی لوئیس سطحی را حدود ۴۰ درصد افزایش داده است. در نتیجه، ماده جدید نه‌تنها فعال‌تر شد، بلکه پایداری ساختاری بیشتری نیز پیدا کرد.

این افزایش دسترسی به مراکز فعال، اثر مستقیمی بر عملکرد کاتالیستی داشت. پژوهشگران گزارش کردند که UiO-۶۶-F-H توانسته سرعت تخریب آترازین را ۵٫۷ برابر بیشتر از نمونه اصلاح‌نشده UiO-۶۶(Ce) افزایش دهد. همچنین این عملکرد در مقایسه با ازن‌زنی ساده، ۱۷٫۷ برابر بهتر بوده است.

آزمایش‌ها در شرایط بهینه شامل pH برابر ۷، دمای ۱۰ درجه سانتی‌گراد و غلظت ازن ۳ میلی‌گرم بر لیتر انجام شد. این موضوع اهمیت دارد، زیرا کارایی بالا در شرایط نزدیک به محیط واقعی، ارزش عملی فناوری را بیشتر می‌کند. بعضی مواد فقط در شرایط عجیب و لوکس آزمایشگاهی خوب عمل می‌کنند؛ مثل کسی که فقط وقتی عالی است که هیچ مشکلی وجود نداشته باشد.

چرا این ماده بهتر عمل می‌کند؟ پاسخ در تعامل آن با ازن نهفته است. سایت‌های فلزی آشکارشده روی سطح کاتالیست، تجزیه ازن را تسریع می‌کنند و در نتیجه مقدار بیشتری از گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید می‌شود. این گونه‌های بسیار واکنش‌پذیر می‌توانند مولکول آترازین را شکسته و به ترکیبات ساده‌تر تبدیل کنند.

پژوهشگران همچنین نشان دادند تعداد سایت‌های آشکارشده سریم، سرعت تجزیه ازن را تا حدود سه برابر افزایش داده است. این یعنی تولید رادیکال‌های مؤثر بیشتر و در نهایت پاکسازی سریع‌تر آب آلوده.

یکی دیگر از مزایای مهم این ماده، پایداری و قابلیت استفاده مجدد آن است. در بسیاری از کاتالیست‌ها، پس از چند چرخه استفاده، ساختار تخریب می‌شود یا کارایی افت می‌کند. اما نمونه اصلاح‌شده در این پژوهش عملکرد مطلوبی از خود نشان داده و قابلیت بازیافت مناسبی داشته است.

اهمیت این دستاورد فراتر از حذف آترازین است. روشی که برای آشکارسازی سایت‌های فعال در UiO-۶۶(Ce) به کار رفته، می‌تواند برای سایر MOFها نیز توسعه یابد. به بیان دیگر، این پژوهش فقط یک ماده جدید معرفی نکرده، بلکه یک الگوی طراحی تازه برای ساخت کاتالیست‌های پیشرفته ارائه داده است.

به نقل از نانو ایران، چنین موادی می‌توانند در آینده برای حذف داروها، رنگ‌ها، آفت‌کش‌ها و سایر آلاینده‌های مقاوم از آب استفاده شوند؛ مسئله‌ای که با رشد جمعیت، صنعتی‌شدن و کمبود آب، هر روز مهم‌تر می‌شود.

نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Acid-engineered UiO-۶۶(Ce): From the limitations of concealed MOF sites to catalytic excellence for rapid atrazine degradation منتشر شده است.