Синтез органо-неорганических материалов на основе алкоксидов титана и различных органических мономеров, легированных наночастицами золота или серебра. Исследование комплекса их физических свойств, фотокаталитической и антибактериальной активности.

Разработка новых материалов на основе диоксида титана с высокой фотокаталитической активностью является актуальной фундаментальной и прикладной задачей, так как фотокатализ – это новая технология, которая обеспечивает широкий спектр применений, включая деградацию органических веществ и красителей – загрязнителей воды и воздуха; превращение органических соединений в мягких условиях; антибактериальное действие и выработку топлива за счет расщепления воды и восстановления углекислого газа. Это происходит благодаря уникальным свойствам оксида - УФ-индуцированному обратимому переходу Ti(4+) + e(-) ⇄ Ti(3+), в результате которого обратимо разрывается связь Ti-O и образуются супероксид-гидроксильные радикалы, которые участвуют в превращениях различных органических веществ. Усиления фотокаталитической активности диоксида титана можно ожидать при переходе от микро к наночастицам и их легировании наночастицами металлов, обладающих поверхностным плазмонным резонансом. Целью данного этапа работы явился синтез органо-неорганических материалов, содержащих наноструктурированный полититаноксид, из алкоксидов титана и различных органических мономеров; их модификация наночастицами золота или серебра; исследование комплекса их физических свойств, фотокаталитической и антибактериальной активности. Полимеризационно-поликонденсационным методом синтезированы оптически прозрачные органо-неорганические сополимеры, в которых из изопропоксида титана сформирован полититаноксид в матрице поли(гидроксиэтилметакрилата), сополи(гидроксиэтилметакрилат-акрилонитрил), сополи(гидроксиэтил-метакрилат-бутилметакрилат), сополи(гидроксиэтилметакрилат-этилгексилакрилат). Установлено, что полититаноксид в сополимерах самоорганизуется в наночастицы с размером менее 100 нм по типу фотокаталитически активной полиморфной модификации диоксида титана – анатаза. Выполнено легирование полититаноксида внутри материалов наночастицами золота или серебра, которые формируются in situ в полимерной матрице при УФ-восстановлении AgNO3 и HAuCl4. Средний размер наночастиц серебра и золота в сополимерах не превышал 20 нм. Выявлено влияние состава образцов на комплекс физико-механических и теплофизических свойств материалов: изменение температуры стеклования на 15 °С и прочности при разрыве на 40 %. Установлено, что сополимеры проявляют высокую адгезионную прочность по отношению к силикатному стеклу. Введение в материалы наночастиц золота и серебра приводит к существенному снижению температуры стеклования образцов – на 60 – 80°С по сравнению с материалами без наночастиц. Установлено, что наночастицы Au понижают, а наночастицы Ag – немного увеличивают разрушающее напряжение нанокомпозитов в 1.5 – 2 раза по сравнению с сополимером без наночастиц. Светопропускание всех синтезированных материалов в видимой области спектра составило ~ 90%. Благодаря наличию в структуре полититаноксида анатазной полиморфной модификации они проявляют уникальные оптические свойства – способность к одноэлектронному переходу Ti4+ + e- ⇄ Ti3+ при световом воздействии. Доказательством этого процесса послужило нарастание оптической плотности материалов на длине волны 600 нм при их УФ-облучении, свидетельствующие об образовании ионов Ti3+. Это свойство определяет возможность материалов генерировать активные формы кислорода, участвующих в фотокаталитических процессах окисления органических веществ – загрязнителей окружающей среды. Образцы были исследованы в качестве гетерогенных фотокатализаторов в реакциях разложения фенола, нитрофенола, азо-красителей (метиленового оранжевого, метиленового синего, конго-красного) в водной среде и 3,6-ди-трет-бутилхинона в диоксане. Установлена высокая фотокаталитическая активность как органо-неорганических сополимеров, так и композитов, в которых полититаноксид модифицирован наночастицами серебра и золота при действии как УФ-, так и видимого света. При использовании сополимеров, в которых полититаноксид легирован наночастицами золота или серебра, в условиях УФ-облучения конверсия фенолов и азо-красителей в водных средах составляет 70 – 80 %, при действии видимого света - вплоть до 90 %. При фотокаталитическом превращении 3,6-ди-трет-бутилхинона получается смесь продуктов окисления, основным из которых оказался пирон (выход ~ 90 %), который может быть использован как предшественник лекарственных веществ для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме фотокаталитической активности органо-неорганических материалов, содержащих полититаноксид в полимерной матрице поли(гидроксиэтилметакрилата) и его сополимеров с мономерами (мет)акрилового ряда, установлена их способность к изменению режимов смачивания поверхности и ее самоочистке (на примере пальмитиновой кислоты, нанесенной на поверхность) при световом воздействии. Выполнена гидрофобизация поверхности органо-неорганических сополимеров фторакрилатными латексами, исследована структура их поверхности, выявлена ее взаимосвязь со способностью поверхности образцов к УФ-индуцированной гидрофилизации; доказана их фотокаталитическая активность гидрофобизированных материалов. Выявлена повышенная бактерицидная активность нанокомпозитов, содержащих полититаноксид, легированный наночастицами серебра, при УФ-воздействии. По результатам работы опубликовано 2 статьи, индексируемых в Web of Science, 1 статья, индексируемая в Scopus, 1 статья, индексируемая в РИНЦ; сделано 4 доклада на международных и всероссийских конференциях.