توسعه کاتالیست نوین توسط پژوهشگران ایرانی برای حذف سریع آترازین از آب

چالش آترازین و نیاز به راهکارهای پیشرفته

آترازین، به دلیل پایداری بالا و اثرات زیستی نامطلوب، یکی از آلاینده‌های نگران‌کننده در منابع آب جهان محسوب می‌شود. این ماده که برای افزایش بهره‌وری کشاورزی به کار می‌رود، در نهایت به رودخانه‌ها، سفره‌های زیرزمینی و آب آشامیدنی راه می‌یابد. حذف آن با روش‌های متداول بسیار دشوار بوده و همواره نیاز به فناوری‌های پیشرفته‌تر احساس می‌شد.

دستاورد مشترک جهانی: کاتالیست نانویی نوین

در یک تحقیق بین‌المللی، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس ایران با همکاری دانشگاه صنعتی ژجیانگ، دانشگاه پلی‌تکنیک مادرید، مؤسسه فناوری هاربین و چندین مرکز علمی دیگر، موفق به توسعه کاتالیستی شده‌اند که قادر است آترازین را با سرعتی بسیار بالاتر از روش‌های رایج تجزیه کند. این دستاورد، راهی نوین برای طراحی نسل جدید کاتالیست‌های نانویی در تصفیه آب و حفاظت از محیط زیست گشوده است.

مهندسی اسیدی چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs)

این پژوهش بر پایه چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) انجام شده است. MOFها موادی پیشرفته با ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا هستند که در حوزه‌های مختلفی از جمله کاتالیز کاربرد دارند. در این پروژه، محققان روی ماده‌ای به نام UiO-۶۶(Ce)، ساختاری مبتنی بر عنصر سریم، تمرکز کردند. چالش اصلی در MOFها، پنهان ماندن بسیاری از سایت‌های فعال فلزی درون ساختار است که دسترسی آلاینده‌ها به آن‌ها را محدود می‌کند.

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

افزایش چشمگیر کارایی و پایداری

دستکاری کنترل‌شده ساختار MOF در مقیاس نانو، منجر به آشکار شدن تعداد بیشتری از اتم‌های سریم با هماهنگی ناقص در سطح ماده شد. این اتم‌ها به عنوان سایت‌های اسیدی لوئیس عمل کرده و واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند. نتایج این اصلاح ساختاری عبارتند از:

• افزایش حدود ۴۰ درصدی تعداد سایت‌های اسیدی لوئیس سطحی.
• افزایش پایداری ساختاری ماده جدید.
• افزایش سرعت تخریب آترازین تا ۵.۷ برابر بیشتر از نمونه اصلاح‌نشده UiO-۶۶(Ce).
• عملکرد ۱۷.۷ برابر بهتر در مقایسه با ازن‌زنی ساده.

آزمایش‌ها در شرایط بهینه شامل pH برابر ۷، دمای ۱۰ درجه سانتی‌گراد و غلظت ازن ۳ میلی‌گرم بر لیتر انجام شد که نشان‌دهنده کارایی بالا در شرایط نزدیک به محیط واقعی است.

قابلیت استفاده مجدد و الگوی طراحی نوین

یکی از مزایای مهم این ماده، پایداری و قابلیت استفاده مجدد آن است. برخلاف بسیاری از کاتالیست‌ها که پس از چند چرخه استفاده، کارایی خود را از دست می‌دهند، 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. روش به کار رفته برای آشکارسازی سایت‌های فعال، می‌تواند به عنوان یک الگوی طراحی تازه برای ساخت کاتالیست‌های پیشرفته در سایر MOFها نیز توسعه یابد. این مواد می‌توانند در آینده برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌های مقاوم از آب، شامل داروها، رنگ‌ها و سایر آفت‌کش‌ها، مورد استفاده قرار گیرند؛ مسئله‌ای که با رشد جمعیت و صنعتی‌شدن، اهمیت روزافزونی می‌یابد.