kwartalnik "Edukacja Biologiczna i Środowiskowa"

ISSN 1643-8779



Wielofunkcyjny ditlenek tytanu ratunkiem dla środowiska?

Grafen doczekał się konkurencji w kategorii „najbardziej obiecująca nowa substancja”. Naukowcy z Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze odkryli nanomateriał o tak wszechstronnych właściwościach, że nazwali go wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu (ang. Multi-use Titanium Dioxide). Wynalazek może być przełomem w takich kwestiach jak uzdatnianie wody i przekształcanie ścieków w odnawialne źródła energii i wodoru (Liu i wsp., 2013).

Ditlenek tytanu jest substancją chemiczną powszechnie występującą w przyrodzie i stosowaną od dawna w przemyśle jako pigment (biel tytanowa) do produkcji żywności, kosmetyków, leków, past do zębów, papieru, tworzyw sztucznych, porcelany i emalii oraz jako filtr przeciw promieniowaniu UV i stabilizator koloru szkliw. W latach 70. XX wieku odkryto, że ma on wspaniałe właściwości fotokatalityczne, tzn. zdolność do przyspieszania reakcji chemicznych pod wpływem światła. Ze względu na niską cenę, trwałość i wydajność ditlenek tytanu znalazł zastosowanie jako fotokatalizator do oczyszczania wody, ścieków i powietrza, a nawet jako środek dezynfekcyjny zdolny do zabicia bakterii Escherichia coli oraz inaktywacji wirusa grypy. Rozwój nanotechnologii w ostatnich latach sprawił, że zaczęto wykorzystywać ditlenek tytanu do otrzymywania nanomateriałów, które w odróżnieniu od „klasycznego” materiału posiadają wiele unikalnych właściwości i jeszcze lepsze zdolności katalityczne dzięki dużemu polu powierzchni nanostruktur w stosunku do zajmowanej przez nie objętości.

Profesorowi Darrenowi Sunowi i jego współpracownikom z NTU’s School of Civil and Environmental Engineering udało się otrzymać z kryształów ditlenku tytanu nanomateriał, którego lista zastosowań jest naprawdę długa. Dzięki silnym właściwościom fotokatalitycznym może być wykorzystany jako fotoanoda do rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem promieniowania UV, jako fotokatalizator do rozkładu związków organicznych w wodzie oraz innych zanieczyszczeń środowiska (NOx), a także do odzysku i usuwania metali ciężkich ze ścieków. Użyty jako fotokatalizator, w procesie przetwarzania ścieków w wodór i czystą wodę pod wpływem światła, jest trzykrotnie wydajniejszy od trudno dostępnej i drogiej platyny. Materiał ten nadaje się doskonale do wytwarzania wydajnych i tanich baterii słonecznych, membran filtracyjnych pozwalających odsalać wodę za pomocą wysokoprzepływowej wymuszonej osmozy (ang. high-flux forward osmosis), a także membran do separacji gazów. Może posłużyć do wytwarzania powłok samoczyszczących, antystatycznych, hydrofilowych, chroniących przed promieniowaniem UV i neutralizujących zapachy. Z kolei dzięki właściwościom przeciwbakteryjnym może być z powodzeniem wykorzystywany do produkcji filtrów antybakteryjnych, a nawet elastycznych bandaży zapobiegających infekcjom i przyspieszającym leczenie ran ze względu na dobrą przepuszczalność tlenu.

Swe unikalne właściwości wielofunkcyjny ditlenek tytanu zawdzięcza opatentowanej strukturze nanowłókien, które w zależności od późniejszego przeznaczenia mogą być wzbogacane węglem, miedzią, cynkiem lub cyną.

Obecnie zespół prof. Suna pracuje nad opracowaniem nanomateriału z czarnego ditlenku tytanu, który ma posłużyć do produkcji baterii litowo-jonowych. Wyniki wstępnych analiz wskazują, że użycie anody zrobionej ze sferycznych nanocząstek ditlenku tytanu modyfikowanych węglem może podwoić pojemność baterii. Wydłuża to znacząco żywotność takich baterii w porównaniu z ich standardowymi odpowiednikami

Zdaniem prof. Suna, niskie koszty i łatwość wytwarzania nanomateriału z ditlenku tytanu dają mu niesamowity potencjał w rozwiązaniu najbardziej naglących problemów związanych z ochroną środowiska, a zwłaszcza z zanieczyszczeniem wód, kurczących się zasobów wody pitnej i paliw kopalnych oraz wciąż wzrastającym zapotrzebowaniem na czyste źródła energii, takie jak wodór.

W ciągu pięciu lat badań nad wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu zespół prof. Suna opublikował ponad 70 prac naukowych w czasopismach takich jak Separation and Purification Technology, Water Research, Energy and Environmental Science oraz Journal of Materials Chemistry.


Ryc. a. Prof. Darren Sun z próbką wielofunkcyjnego ditlenku tytanu zanim zostanie on przerobiony na membranę.

Ryc. b. Membrana filtracyjna wykonana z nanocząstek ditlenku tytanu [źródło: http://www.gizmag.com/multi-use-titanium-dioxide/26756/].

 

Literatura:

http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=14e3b618-c71c-4f20-935c-2a566af5a298.

Liu Z, Bai H, Sun DD (2013). A general method for the fabrication of hierarchically-nanostructured membranes with multifunctional environmental applications. Separation and Purification Technology 107:324-330. http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2012.12.032.

Nakata K, Fujishima A (2012). TiO2 photocatalysis: Design and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 13 (3):169-189. DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001.

Nakano R i wsp. (2012). Photocatalytic inactivation of influenza virus by titanium dioxide thin film. Photochem. Photobiol. Sci. 11:1293-1298. DOI: 10.1039/C2PP05414K.

Liu L, Liu Z, Bai H, Sun DD (2012). Concurrent filtration and solar photocatalytic disinfection/degradation using high-performance Ag/TiO2 nanofiber membrane. Water Research. 46(4):1101-1112. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2011.12.009.

Liu Z, Bai H, Lee J, Sun DD (2011). A low-energy forward osmosis process to produce drinking water. Energy and Environmental Science. 4(7):2582-2585. DOI: 10.1039/C1EE01186C. 

Bai H, Liu Z, Sun DD (2012). A lithium-ion anode with micro-scale mixed hierarchical carbon coated single crystal TiO2 nanorod spheres and carbon spheres. Journal of Materials Chemistry. 22(47):24552-24557. DOI: 10.1039/C2JM34142E.

 

Małgorzata Musialik, PPP IBE

Tekst pochodzi z EBiŚ 2/2013