Kierownik projektu: dr inż. Agnieszka Wanag
Konkurs: SONATA 16
Przyznana kwota: 1 368 840 PLN
Rozwój cywilizacji i przemysłu oraz nowoczesny styl życia, w krajach rozwiniętych, przyczynia się nie
tylko do poprawy poziomu życia ludzi, ale także pozostawia swój ślad w środowisku wodnym. Szczególną
uwagę należy zwrócić na estrogeny, które jako jedne z hormonów steroidowych mają istotny wpływ na
rozwój mózgu, rozrodczości i kości człowieka. Ich nadmiar może mieć jednak wpływ na wady wrodzone,
nieprawidłowy rozwój płciowy, problemy z układem nerwowym i immunologicznym, a także nowotwory
zarówno u mężczyzn, jak i u kobiet. Stwierdzono, że estrogeny są jednym z typowych związków
zaburzających gospodarkę hormonalną (Endocrine Disrupting Compounds EDCs) znajdujących się
w środowisku wodnym. Pomimo, że występują w niewielkich stężeniach są szeroko badane ze względu na
stosunkowo wysoką aktywność estrogenową. W ściekach wykrywane są cztery estrogeny, w tym trzy
naturalne (17β-estradiol (E2), estron (E1) i estriol (E3)) oraz jeden syntetyczny (17α-etynyloestradiol (EE2)).
Znaczne zagrożenie dla środowiska wodnego, jak również dla ludzi wykazują zwłaszcza (E2) i (EE2), które
są szeroko stosowane w syntetycznych lekach estrogenowych i estrogenowej terapii zastępczej i zostały
wymienione jako substancje priorytetowe w propozycji zmiany dyrektyw europejskich w zakresie polityki
wodnej. Konwencjonalne metody oczyszczania ścieków są niestety niewystarczające i generują problem
powstawania niebezpiecznych i trudnych do zagospodarowania półproduktów. Dlatego też, w ostatnich
latach intensywnie poszukuje się nowych, efektywniejszych, a przede wszystkim przyjaznych dla
środowiska metod usuwania zanieczyszczeń w tym estrogenów. W związku z tym alternatywą
i uzupełnieniem dla klasycznych metod stały się procesy zaawansowanego utleniania (Advanced Oxidation
Processes), do których należy m.in. proces fotokatalizy. Metoda ta jest przyjazna dla środowiska i spełnia
założenia „zielonej chemii”. Do prowadzenia procesu fotokatalizy wykorzystuje się tlen z powietrza, a także
energię pochodzącą ze światła słonecznego, a zastosowany fotokatalizator jest nietoksyczny. Metoda jest
zgodna z zasadami zielonej chemii, gdyż nie wymaga stosowania rozpuszczalników czy innych szkodliwych
substancji chemicznych. W wyniku fotokatalitycznych procesów powstają rodniki hydroksylowe, które
posiadają bardzo wysoki potencjał oksydacyjno–redukcyjny, dzięki czemu są w stanie utlenić trudno
biodegradowalne zanieczyszczenia do prostych związków nieorganicznych, takich jak CO2 i H2O. TiO2 stał
się obiecującym materiałem, który jest szeroko stosowany w procesach fotokatalitycznych. W czystej postaci
jest nietoksycznym, bezbarwnym ciałem stałym o wysokiej stabilności chemicznej i fizycznej.
Charakteryzuje się doskonałymi właściwości optycznymi i elektronicznymi. W przyrodzie występuje
w trzech odmianach polimorficznych: anatazu, rutylu i brukitu. W wyniku syntezy TiO2 najczęściej
syntetyzowany jest nanokrystaliczny anataz, natomiast rutyl otrzymywany jest w wysokich temperaturach
i charakteryzuje się dużym rozmiarem krystalitów, co jest niekorzystne dla aktywności fotokatalitycznej.
Aktywność TiO2 zależy od jego właściwości fizykochemicznych, takich jak skład fazowy, struktura
krystaliczna, powierzchnia właściwa, wielkość krystalitów czy ilość grup hydroksylowych. Wiadomo
również, że ważną rolę odgrywa wartość energii przerwy wzbronionej. Oznacza to, że anataz może być
aktywowany jedynie przez promieniowanie w zakresie UV, co ogranicza jego praktyczne zastosowanie.
Z drugiej strony rutyl może być aktywowany w zakresie widzialnym, ale wykazuje znacznie słabszą
aktywność niż anataz ze względu na szybszą rekombinację. Wysoka temperatura przygotowania rutylu
przyczynia się z kolei do zmniejszenia powierzchni co można uznać za wadę tych próbek.
Biorąc powyższe pod uwagę, podstawowym celem projektu jest przygotowanie i charakterystyka
innowacyjnych nanomateriałów otrzymanych na bazie nanokrystalicznego rutylu ditlenku tytanu (TiO2)
z grafenem lub krzemionką (SiO2). Zakłada się, że połączenie zalet tych związków przyczyni się do
otrzymaniem fotokatalizatorów o zwiększonej adsorpcji i fotoaktywności w procesie fotoutleniania
estrogenów, zwłaszcza w świetle widzialnym. Ponadto zaletą modyfikacji grafenem i SiO2 jest spowolnienie
procesu rekombinacji par elektron-dziura. Celem pośrednim projektu będzie rozszerzona i systematyczna
charakterystyka przygotowanych fotokatalizatorów oraz określenie wpływu parametrów modyfikacji na
właściwości fizykochemiczne oraz fotokatalityczne nowych nanomateriałów. Ważnym celem będzie
zbadanie pośrednich produktów rozkładu i zaproponowanie mechanizmów degradacji. W kontekście tego
projektu określona zostanie również stabilność fotokatalityczna otrzymanych materiałów, oparta na
cyklicznym fotoutlenianiu estrogenów. Nowością będzie również wykorzystanie badań TRMC (Time
Resolved Microwave Conductivity) do badania czasu życia nośników ładunku.
