Однако для того, чтобы феррат работал наилучшим образом, его необходимо комбинировать с другими соединениями или возбуждать световой энергией. Теперь, используя метод, включающий сверхбыстрые лазерные и рентгеновские импульсы, команда исследователей из Университета Род-Айленда раскрыла новые подробности о химической реакции, которая происходит, когда феррат подвергается воздействию видимого и ультрафиолетового света. Выводы, опубликованные в Журнал Американского химического общества, могло бы помочь исследователям оптимизировать его использование в системах очистки воды.

"Световая активация феррата на самом деле никогда не исследовалась подробно", - сказал Дуган Хейс, доцент кафедры химии в URI и автор-корреспондент исследования. "В этом исследовании мы впервые смогли выявить некоторые из этих фотофизических свойств".

Феррат является окислителем, что означает, что он может расщеплять загрязняющие вещества, крадя их электроны. Сам по себе феррат является довольно сильным окислителем. Но при возбуждении светом он производит еще более мощный окислитель, известный как Fe(V) (или железо-5+). Однако до этого нового исследования не было точно известно, сколько энергии требуется для производства Fe (V) и в каких количествах его можно производить.

Чтобы выяснить это, Кали Антолини, аспирантка лаборатории Хейса, провела эксперименты с использованием спектроскопии переходного поглощения - метода, который исследует фотохимические реакции с использованием сверхбыстрых лазерных импульсов. Начальный импульс инициирует реакцию, в то время как последующие импульсы исследуют этапы реакции по мере их прохождения. Скорость импульсов - порядка нескольких квадриллионных долей секунды - дает исследователям подробную информацию даже о самых короткоживущих продуктах реакции.

Антолини проводил эксперименты с использованием импульсов ультрафиолетового и видимого света, используя оборудование в URI. Она проводила аналогичные эксперименты с использованием рентгеновских лучей в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго, где Антолини работает в рамках студенческой исследовательской программы Министерства энергетики.

Работа показала, что степень превращения феррата в высокореактивный Fe(V) составляла около 15%. Это примерно похоже на радикальное производство систем озоновой очистки. Исследование также дало удивительные результаты, связанные с типом света, необходимого для получения более активных форм железа. Команда обнаружила, что диапазон длин волн света, простирающийся от ультрафиолетового спектра почти до видимого, должен быть способен производить Fe (V). По словам исследователей, это важное открытие по двум причинам. Для получения видимого света требуется меньше энергии, чем для получения ультрафиолетового света, что может сделать возбуждение феррата более энергоэффективным, чем предполагалось ранее. Кроме того, видимый свет меньше рассеивается в мутной воде, что означает, что Fe (V) может быть получен в самых разнообразных водных условиях.

Результаты обнадеживают Джозефа Гудвилла, доцента кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в URI и соавтора исследования. Частью его исследовательской программы является поиск способов преодоления "разрыва в чистой воде" между крупными городскими системами очистки воды и небольшими сельскими системами.

Системы очистки на основе феррата являются многообещающим вариантом для небольших систем, где дорогие и сложные озоновые системы непрактичны, говорит Гудвилл. Феррат также обладает потенциалом уменьшить зависимость от агрессивных химических веществ, таких как хлор, и может даже устранить стойкие загрязнения, которые хлор не может удалить. К ним относятся пер- / полифторалкильные вещества (PFAS), класс химических веществ, которые все чаще встречаются в колодцах и системах водоснабжения по всей территории США, но прежде чем ферратные системы смогут широко применяться, ученым необходимо лучше понять химию ферратов.

"Образование мощных окислителей из феррата было трудно понять механистически, и это препятствовало оптимизации процесса и полномасштабному внедрению в системах очистки воды", - сказал Гудвилл. "Результаты, представленные в этой статье, улучшают наше фундаментальное понимание ферратной системы, что открывает возможности для применения".

Исследователи надеются, что эти новые данные о том, как работает фотохимия ферратов, помогут расширить использование очистки воды на основе железа.

Исследование было поддержано Министерством энергетики США (DE-SC0019429 и DE-AC02-06CH11357) и Национальным научным фондом (2046383).