91��ý

Бүгінде әлемде су мен ауаның ластануы адамзат алдында тұрған ең өзекті экологиялық мәселелердің біріне айналды. Өнеркәсіптің қарқынды дамуы нәтижесінде өндірістік ағын суларға органикалық бояғыштар, дәрілік препараттардың қалдықтары және ұзақ уақыт ыдырамайтын химиялық қосылыстар түсуде. Дәстүрлі тазарту технологиялары мұндай ластағыштарды толық жоя алмайды, ал олардың қоршаған ортада жиналуы экожүйелерге және адам денсаулығына айтарлықтай қауіп төндіреді.

Ғалымдардың бағалауынша, қазіргі кезде кеңінен қолданылатын тазарту технологияларының тиімділігі шектеулі. Сондықтан әлемдік ғылым қоршаған ортаны табиғи күн сәулесінің көмегімен тазартуға мүмкіндік беретін жаңа фотокаталитикалық материалдарды жасауға ерекше назар аударып отыр.

Осы бағытта әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінде «Көрінетін жарық әсерінен органикалық ластағыштарды фотокаталитикалық ыдыратуға арналған TiO₂ негізіндегі жартылай өткізгіш наноматериалдарды әзірлеу» атты ғылыми жоба жүзеге асырылуда.

Жобаның негізгі мақсаты – көрінетін жарықта жоғары тиімділікпен жұмыс істейтін жаңа буындағы фотокатализаторларды әзірлеу. Зерттеу нәтижесінде алынатын материалдар су мен ауаны тазарту технологияларында, сондай-ақ экологиялық таза энергетика саласында қолданылуы мүмкін.

Қазіргі уақытта өнеркәсіпте кеңінен пайдаланылатын титан диоксиді (TiO₂) негізіндегі фотокатализаторлардың бірқатар маңызды артықшылықтары бар. Олар химиялық тұрғыдан тұрақты, уытсыз, коррозияға төзімді және өндірісі салыстырмалы түрде арзан. Алайда олардың басты кемшілігі – тек ультракүлгін сәуледе ғана тиімді жұмыс істеуі.

Белгілі болғандай, ультракүлгін сәуле күн сәулесінің шамамен 5 пайызын ғана құрайды. Ал күн энергиясының негізгі бөлігі – шамамен 45 пайызы – көрінетін жарық диапазонында орналасқан. Сондықтан қазіргі фотокатализаторлардың табиғи күн сәулесін тиімді пайдалану мүмкіндігі айтарлықтай шектеулі.

Отандық зерттеушілер дәл осы мәселені шешуге бағытталған ғылыми тәсілді ұсынып отыр. Жоба аясында металл-органикалық каркас MIL-125 негізінде алынатын және темір иондарымен легирленген TiO₂ наноматериалдары синтезделеді. Мұндай модификация фотокатализатордың жарықты жұту аймағын көрінетін спектрге дейін кеңейтіп, оның фотоактивтілігін арттыруға мүмкіндік береді.

Жобаның ғылыми жаңалығы бірнеше маңызды аспектілерден тұрады.

Ең алдымен зерттеушілер темірмен легирленген TiO₂ фотокатализаторларын көпсатылы сольвотермалдық синтез арқылы алады. Бұл әдіс материалдың кристалдық құрылымын, кеуектілігін және белсенді орталықтарының таралуын дәл басқаруға мүмкіндік береді.

Екінші ерекшелік – металл-органикалық каркас қасиеттерін соңғы фотокатализаторға көшіру. Прокаливание нәтижесінде MIL-125 құрылымының жоғары меншікті беті мен кеуектілігі TiO₂ материалына беріледі. Бұл органикалық ластағыштардың материал бетімен әрекеттесу тиімділігін арттырып, фотокаталитикалық реакциялардың жылдам жүруіне жағдай жасайды.

Сонымен қатар жоба барысында әртүрлі зарядталған органикалық бояғыштардың ыдырау кинетикасы зерттеледі. Ғалымдар Orange II, Rhodamine B, Methylene Blue және Ciprofloxacin секілді модельдік ластағыштарды пайдаланып, жаңа материалдардың тиімділігін бағалайды. Бұл тәжірибелер әзірленіп жатқан фотокатализаторлардың нақты өндірістік жағдайда қолданылу әлеуетін анықтауға мүмкіндік береді.

Зерттеу барысында фотокатализ процесінде түзілетін белсенді бөлшектер де анықталады. Арнайы реагенттерді қолдану арқылы электрондар, кемтіктер және белсенді оттегі радикалдарының реакцияға қосатын үлесі бағаланып, органикалық қосылыстардың ыдырау механизмдері түсіндіріледі.

Жобада қолданылатын зерттеу әдістері халықаралық ғылыми тәжірибеге толық сәйкес келеді.

Материалдардың құрылымы рентгендік фазалық талдау арқылы анықталады. Сканерлеуші электрондық микроскопия олардың морфологиясын зерттеуге мүмкіндік береді. Инфрақызыл спектроскопия, диффузиялық шағылу спектроскопиясы, фотолюминесценттік талдау, рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия, BET әдісі, импеданстық спектроскопия және фототокты өлшеу арқылы материалдардың физикалық және оптикалық қасиеттеріне жан-жақты сипаттама беріледі.

Алынған фотокатализаторлардың тиімділігі бірнеше рет қайталанатын тәжірибелер арқылы тексеріледі. Сонымен қатар олардың фототұрақтылығы мен ұзақ мерзімді пайдалануға жарамдылығы бағаланады. Бұл жаңа материалдардың өндірістік қолдануға дайындық деңгейін анықтауға мүмкіндік береді.

Жоба Қазақстан ғылымының халықаралық деңгейдегі бәсекеге қабілеттілігін арттыруға да бағытталған.

Зерттеу нәтижелері материалтану, нанотехнологиялар және фотокатализ салаларындағы іргелі ғылыми білімді кеңейтеді. Сонымен қатар халықаралық Scopus және Web of Science базаларына кіретін жоғары рейтингті ғылыми журналдарда жарияланып, Қазақстан ғалымдарының әлемдік ғылыми қауымдастықпен ынтымақтастығын нығайтуға ықпал етеді.

Практикалық тұрғыдан алғанда жобаның нәтижелері өндірістік ағын суларды тазарту, ауаны зиянды органикалық қосылыстардан тазарту, экологиялық қауіпсіз технологияларды дамыту және күн энергиясын тиімді пайдалану бағыттарында қолданылуы мүмкін. Бұдан бөлек, алынған фотокатализаторлар болашақта суды фотокаталитикалық ыдырату арқылы сутегі өндіру технологияларын жетілдіруге негіз бола алады.

Жобаның тағы бір маңызды ерекшелігі – оның «жасыл экономика» қағидаттарына толық сәйкес келуі. Табиғи күн сәулесін тиімді пайдаланатын фотокатализаторлар энергия шығынын азайтып қана қоймай, қоршаған ортаға түсетін антропогендік жүктемені төмендетуге мүмкіндік береді.

Ғалымдардың пікірінше, көрінетін жарықта жұмыс істейтін фотокатализаторларды жасау – экологиялық қауіпсіз технологиялардың жаңа буынын қалыптастырудағы маңызды қадам. Ал бұл зерттеу Қазақстандағы материалтану ғылымының дамуына ғана емес, жаһандық экологиялық мәселелерді шешуге де өзіндік үлес қоса алады.

Жоба нәтижесінде халықаралық деңгейде бәсекеге қабілетті жаңа фотокаталитикалық материалдар әзірленіп, олардың ғылыми негіздері қалыптасады. Болашақта бұл әзірлемелер өнеркәсіпте, энергетикада және қоршаған ортаны қорғау саласында кеңінен қолданылуы мүмкін.