ENOVITI MAGISTRSKI ŠTUDIJ FARMACIJA MATEJ KRALJ MAGISTRSKA NALOGA

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA FARMACIJO

MATEJ KRALJ

MAGISTRSKA NALOGA

ENOVITI MAGISTRSKI ŠTUDIJ FARMACIJA

Ljubljana, 2022

i

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA FARMACIJO

MATEJ KRALJ

HETEROGENA FOTOKATALITSKA OKSIDACIJA ORGANSKIH ONESNAŽEVAL V VODNI RAZTOPINI OB UPORABI VIDNE SVETLOBE IN FOTOKATALIZATORJEV

NA OSNOVI GRAFITNEGA OGLJIKOVEGA NITRIDA HETEROGENEOUS PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF ORGANIC POLLUTANTS IN AQUEOUS SOLUTION USING

VISIBLE LIGHT AND GRAPHITIC CARBON NITRIDE PHOTOCATALYSTS

ENOVITI MAGISTRSKI ŠTUDIJ FARMACIJA

Ljubljana, 2022

ii

Raziskovalno delo za magistrsko nalogo sem izvedel na Kemijskem inštitutu, v Laboratoriju za okoljske vede in inženirstvo pod mentorstvom prof. dr. Marije Sollner Dolenc, mag. farm., in somentorstvom dr. Gregorja Žerjava.

ZAHVALA

Za pomoč, svetovanje, napotke in prijaznost pri izdelavi magistrske naloge se zahvaljujem mentorici prof. dr. Mariji Sollner Dolenc, mag. farm., in somentorju dr. Gregorju Žerjavu. Za pomoč pri laboratorijskem delu se zahvaljujem mag. Matevžu Roškariču in ostalim sodelavcem Laboratorija za okoljske vede in inženirstvo na Kemijskem inštitutu.

Posebna zahvala gre tudi moji družini in prijateljem, ki so me podpirali v času študija.

IZJAVA

Izjavljam, da sem magistrsko delo samostojno izdelal pod mentorstvom prof. dr. Marije Sollner Dolenc, mag. farm., in somentorstvom dr. Gregorja Žerjava.

Ljubljana, 2022

Matej Kralj

iii

Vsebina

Povzetek ... viiii

Abstract ... viiiii

Seznam okrajšav ... ixx

1 Uvod ... 1

1.1 Motilci endokrinega sistema ... 1

1.1.1 Najpogostejše skupine motilcev endokrinega sistema: ... 1

1.2 Bisfenoli... 2

1.2.1 Bisfenol A ... 3

1.2.2 Bisfenol S ... 5

1.2.3 Bisfenol F ... 5

1.2.4 Bisfenol AF ... 6

1.3 Napredni oksidacijski procesi – AOPs ... 7

1.4 Fotokataliza ... 8

1.5 Grafitni ogljikov nitrid v reakcijah fotokatalize ... 10

1.5.1 Struktura g-C3N4 ... 12

1.5.2 Sinteza g-C3N4 ... 13

2 Namen dela ... 16

3 Materiali in metode ... 18

3.1 Materiali... 18

3.2 Metode ... 18

3.2.1 Priprava raztopin ... 18

3.2.2 Priprava fotokatalizatorjev ... 19

3.2.3 Vrednotenje katalizatorjev ... 21

3.2.4 Določanje fotokatalitske aktivnosti sintetiziranih katalizatorjev ... 26

4 REZULTATI IN RAZPRAVA ... 30

4.1. Vrednotenje katalizatorjev ... 30

iv

4.1.1 Infrardeča spektroskopija (FTIR) ... 30

4.1.2 Rentgenska praškovna difrakcija ... 31

4.1.3 Plinska adsorpcija N2 ... 32

4.1.4 Termogravimetrična analiza (TGA) ... 34

4.1.5 Temperaturno programirana desorpcija piridina ... 35

4.1.6 Vrstična elektronska mikroskopija (SEM) ... 36

4.1.7 UV-VIS difuzna refleksija (UV-VIS DR) ... 38

4.1.8 Meritve fotoluminiscence ... 39

4.1.9 Meritve tvorbe OH^· s kumarinom ... 39

4.1.10 Določanje nastanka superoksidnih radikalov in e^- v prevodnem pasu g-C3N4 z ABTS^·+ ... 42

4.2 Razgradnja bisfenolov z g-C3N4 fotokatalizatorji in uporabo vidne svetlobe ... 43

4.2.1 Razgradnja bisfenola A ... 43

4.2.2 Razgradnja BPF, BPAF in BPS ... 44

4.2.3 TOC in CHNS analiza ... 44

5 Sklep ... 47

6 Literatura ... 49

v

Kazalo slik

Slika 1: Strukturna formula bisfenola A. ... 3

Slika 2: Strukturna formula bisfenola S. ... 5

Slika 3: Strukturna formula bisfenola F. ... 6

Slika 4: Strukturna formula bisfenola AF. ... 6

Slika 5: Prikaz heterogene fotokatalize, ki jo poganja sončna svetloba (povzeto po 40). A predstavlja adsorbiran akceptor elektronov, D predstavlja adsorbiran donor elektronov, CB predstavlja prevodni pas, VB predstavlja valenčni pas. Eg predstavlja energijo prepovedanega pasu. ... 9

Slika 6: Heterostik med g-C3N4 in TiO2 (povzeto po 44). ... 12

Slika 7: g-C3N4 iz s-triazinskih enot. ... 13

Slika 8: g-C3N4 iz tri-s-triazinskih enot. ... 13

Slika 9: a) = g-C3N4 iz melamina (g-C3N4 M), b) = g-C3N4 iz DCDA (g-C3N4 D), c) = g-C3N4 iz tiosečnine (g-C3N4 T) ... 20

Slika 10: Cevna peč Eurotherm Carbolite, ki smo jo uporabili pri kalciniranju. ... 21

Slika 11: UV-VIS spektrofotometer Perkin-Elmer Lambda 35. ... 21

Slika 12: Micrometrics Tristar II 3020 s katerim smo izvedli adsorpcijo dušika. ... 22

Slika 13: Aparatura Perkin-Elmer Thermogravimetric Analyzer Pyris 1 TGA, s katero smo izvedli termogravimetrično analizo. ... 23

Slika 14: Reakcija kumarina s hidroksilnim radikalom, pri čemer nastane 7-hidroksikumarin. ... 24

Slika 15: Reaktor, s katerim smo izvedli poskus hidroksilacije kumarina in redukcije ABTS^·+. ... 24

Slika 16: Reakcijska shema oksidacije ABTS s kalijevim persulfatom in redukcije ABTS^·+ s superoksidnimi radikali in elektroni v prevodnem pasu. ... 25

Slika 17: UV-VIS spektrofotometer Perkin-Elmer Lambda 465. ... 26

Slika 18: Reaktorski sistem, v katerem smo izvedli razgradnjo bisfenolov. ... 27

Slika 19: HPLC sistem, s katerim smo določili koncentracije bisfenolov ob različnih časovnih točkah razgradnje. ... 28

Slika 20: TOC analizator, s katerim smo določili odstotek znižanja organskega ogljika tekom reakcije. ... 29

Slika 21: FTIR meritve g-C3N4 fotokatalizatorjev. ... 31

Slika 22: Rentgenski praškovni difraktogrami. ... 32

vi

Slika 23: Adsorpcijsko-desorpcijske N2 izoterme. ... 33 Slika 24: Porazdelitev velikosti por pri fotokatalizatorjih. ... 34 Slika 25: Termogravimetrična analiza grafitnega ogljikovega nitrida. ... 35 Slika 26: Temperaturno programirana desorpcija piridina: (a) = g-C3N4 D, (b) = g-C3N4 M, (c) = g-C3N4 T. ... 36 Slika 27: SEM posnetek g-C3N4 T katalizatorja (a = večja povečava (200 nm), b = manjša povečava (20 µm)). ... 36 Slika 28: SEM posnetek g-C3N4 D katalizatorja (a = večja povečava (200 nm), ... 37 Slika 29: SEM posnetek g-C3N4 M katalizatorja (a = večja povečava (300 nm), b = manjša povečava (10 µm). ... 37 Slika 30: UV-VIS difuzna refleksija v območju 250-800 nm. ... 38 Slika 31: Meritve fotoluminiscence. ... 39 Slika 32: Umeritvena krivulja intenzitete fotoluminiscence v odvisnosti od koncentracije .... 40 Slika 33: Koncentracija 7-hidroksikumarina v odvisnosti od časa trajanja reakcije. ... 41 Slika 34: Intenziteta fluorescence v različnih časovnih točkah (a = g-C3N4 T, b = g-C3N4 M,42 Slika 35: Zniževanje relativne koncentracije ABTS^·+ v odvisnosti od časa. ... 43 Slika 36: Fotokatalitska razgradnja bisfenola A. ... 43 Slika 37: Fotokatalitska razgradnja bisfenola S, bisfenola AF in bisfenola F z g-C3N4 M katalizatorjem. ... 44

Kazalo preglednic

Preglednica I: Velikost kristalov g-C3N4 ... 32 Preglednica II: Specifična površina, volumen por in povprečni premer por fotokatalizatorjev.

... 34 Preglednica III: Mejna valovna dolžina svetlobe za prehod e^- iz valenčnega v prevodni pas in energija prepovedanega pasu. ... 38 Preglednica IV: Izmerjen odstotek odstranjenega TOC po koncu reakcije (TOC(I)), odstotek odstranjenega TOC z upoštevanjem adsorpcije bisfenolov na katalizator (TOC(P)), odstotek adsorbiranega TOC (TOC (A)) in s CHNS določen delež ogljika na površini, pred in po uporabi v fotokatalitskih reakcijah. ... 45

vii

Povzetek

Z razvojem industrije, prihaja v uporabo vse več kemikalij, ki v določeni meri zaidejo v okolje in onesnažujejo pitno vodo in druge vodne vire. V državah v razvoju se je uporaba kemikalij močno povečala, skrb za okolje pa je na zelo nizki ravni, zato so pitna voda, reke, jezera in morje ponekod izredno onesnaženi. Primer škodljivih kemikalij so hormonski motilci, ki že v nizkih koncentracijah povečajo tveganje za neplodnost, pojav raka ter presnovne in kognitivne motnje. Za reševanje tega problema je pomembno, da razvijemo učinkovite metode za odstranjevanje onesnaževal iz okolja. Za čiščenje odpadnih voda so pogosto v uporabi napredni oksidacijski procesi, saj z njimi lahko neselektivno razgradimo organska onesnaževala do CO2, H2O in anorganskih ionov. Kot del naprednih oksidacijskih procesov se vse bolj raziskuje heterogena fotokataliza, kjer so v uporabi kovinski (TiO2, Cu2O, ZnO, ZnS) in nekovinski (grafitni ogljikovi nitridi (g-C3N4)) fotokatalizatorji.

V okviru magistrske naloge smo iz različnih izhodiščnih spojin (dicianodiamid, tiosečnina in melamin) pripravili fotokatalizatorje na osnovi grafitnega ogljikovega nitrida, ki delujejo na vidni svetlobi. Kasneje smo z metodami karakterizacije določili njihove površinske, optične in strukturne lastnosti ter njihovo učinkovitost pri tvorbi reaktivnih kisikovih zvrsti. V šaržnem reaktorju smo na koncu izvedli še razgradnjo bisfenolov in s tem določili učinkovitost tega postopka z različnimi fotokatalizatorji. Koncentracijo bisfenolov v različnih časovnih točkah smo določili s tekočinsko kromatografijo visoke ločljivosti. Delež mineralizacije organskega ogljika pa smo določili z meritvami celotnega organskega ogljika v raztopini bisfenolov, pred in po fotokatalitski razgradnji.

Pripravljeni fotokatalizatorji g-C3N4 so se med seboj pomembno razlikovali v optičnih in površinskih lastnostih ter po učinkovitosti tvorbe reaktivnih kisikovih zvrsti in fotokatalitske razgradnje bisfenolov. Razlike pri katalizatorjih g-C3N4, pripravljenih iz dicianodiamida in tiosečnine so bile manjše, medtem ko se tisti, izdelan iz melamina precej razlikuje od drugih.

Katalizator iz melamina ima namreč največjo specifično površino in zato lahko tvori največ hidroksilnih radikalov. S tekočinsko kromatografijo visoke ločljivosti smo pri melaminskem katalizatorju g-C3N4 določili tudi največji delež razgradnje bisfenola A (55 %), zato smo ga uporabili tudi za razgradnjo preostalih treh modelnih bisfenolov. Pri tem smo z njegovo uporabo po 120 minutah dosegli 51 % razgradnjo bisfenola F, 28 % bisfenola AF in 8 % bisfenola S.

Katalizator iz melamina je uporaben za fotokatalitsko razgradnjo BPA in BPF, precej manj pa za razgradnjo BPS in BPAF, ki sta odpornejša na tovrstno obdelavo.

Ključne besede: fotokatalizatorji g-C3N4, endokrini motilci, napredni oksidacijski procesi, heterogena fotokatalitska razgradnja, bisfenoli.

viii

Abstract

With industrial development, more and more chemicals are coming into use, which to a certain extent enter the environment and pollute drinking water and other water sources. In developing countries, the use of chemicals has increased significantly, while environmental concerns are low, making drinking water, rivers, lakes, and the sea extremely polluted in some places. An example of harmful chemicals is hormone disruptors, which increase the risk of infertility, cancer, metabolic and cognitive disorders even in low concentrations. To solve this problem, new effective methods for the removal of pollutants from the environment need to be developed. Advanced oxidation processes are often in use for water treatment since they can nonselectively degrade organic pollutants to H2O, CO2, and inorganic ions. As a part of advanced oxidation processes, heterogeneous photocatalysis is a promising method in which metal (TiO2, Cu2O, ZnO, ZnS) and nonmetal (graphitic carbon nitride) photocatalysts are used.

In the research project, various graphitic carbon nitride photocatalysts operating in visible light were prepared from different starting compounds (dicyandiamide, thiourea and melamine).

Optical, surface, structure properties, and reactive oxygen species production effectiveness of prepared catalysts were determined by different characterization methods. Photocatalytic degradation activity was determined by the degradation of bisphenols in a batch reactor.

Bisphenol concentrations at certain time intervals were measured by high performance liquid cromatography. To determine the mineralization percentage of different bisphenols total organic carbon was measured in the final and initial solution.

The prepared g-C3N4 photocatalysts showed different optical and surface properties. The production of reactive oxygen species and the percentage of photocatalytic degradation also differed significantly. Photocatalysts made from dicyandiamide and thiourea have more similar properties than the photocatalyst made from melamine. Photocatalyst, made from melamine, has the highest specific surface area and generates more hydroxylradicals than other catalysts.

Since melamine catalyst was most successful at removing bisphenol A from the reaction mixture (54%), we used it to degrade other bisphenols. After 120 minutes 51 % of bisphenol F, 28 % of bisphenol AF, and 8 % of bisphenol S were removed. Catalyst, made from melamine, proved to be useful for BPA and BPF removal, but inefficient for BPAF and BPS removal, as they are more resistant to photocatalytic degradation.

Key Words: g-C3N4 photocatalysts, endocrine disruptors, advanced oxidation processes, heterogeneous photocatalytic degradation, bisphenols.

ix

Seznam okrajšav

Aads = akceptor elektronov, adsorbiran na površini fotokatalizatorja ABTS = 2,2'-azino-bis-(3-etilbenzotiazolin-6-sulfonska kislina)

AOP = napredni oksidacijski procesi (ang. advanced oxidation processes) BET = Brunauer - Emmett - Tellerjeva teorija

BPA = bisfenol A BPAF = bisfenol AF BPF = bisfenol F BPS = bisfenol S

CB = prevodni pas (ang. conduction band)

CHNS = elementna analiza ogljika, vodika, dušika in žvepla Dads = donor elektronov, adsorbiran na površini fotokatalizatorja DCDA = dicianodiamid

DDT = dikloro-difenil-trikloroetan DNA = deoksiribonukleinska kislina DR = difuzna refleksija

EFSA = Evropska agencija za varnost hrane (ang. European food safety authority) Eg = energija prepovedanega pasu

ER = estrogenski receptor

e^-cb = elektroni v prevodnem pasu

FDA = Uprava za hrano in zdravila (ang. Food and Drug Administration)

FTIR = Fourier-transformirana IR spektroskopija (ang. Fourirer-transform infrared spectroscopy)

GPR = z G proteinom povezan receptor (ang. G protein-coupled receptor) g-C3N4 = grafitni ogljikov nitrid

g-C3N4 D = grafitni ogljikov nitrid, pripravljen iz DCDA g-C3N4 M = grafitni ogljikov nitrid pripravljen iz melamina g-C3N4 T = grafitni ogljikov nitrid, pripravljen iz tiosečnine h⁺ = elektronska vrzel

HPLC = tekočinska kromatografija visoke ločljivosti (ang. High-performance liquid chromatography)

IUPAC = Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo (ang. International Union of Pure and Applied Chemistry)

PCB = poliklorirani bifenili

x PL = fotoluminiscenca

PPAR = receptor, aktiviran s peroksisomskim proliferatorjem RNA = ribonukleinska kislina

SEM = vrstična elektronska mikroskopija (ang. scanning electron microscope) TDI = sprejemljiv dnevni vnos (ang. tolerable daily intake)

TGA = termogravimetrična analiza (ang. thermogravimetric analysis) TOC = totalni organski ogljik (ang. total organic carbon)

TPD = temperaturno programirana desorpcija (ang. temperature-programmed desorption) TSH = tirotropin

UDP = uridin difosfat

US EPA = Agencija za varstvo okolja v ZDA (ang. US Environmental Protection Agency) UV = ultravijolična svetloba

VB = valenčni pas (ang. Valence band) VIS = vidna svetloba

XRD = rentgenska praškovna difrakcija (ang. X-ray diffraction)

1

1 Uvod

Čista voda predstavlja enega izmed najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na zdravje in preživetje ljudi. Agencija za zaščito okolja v ZDA (US EPA) definira onesnaževalo kot kemijsko, biološko, fizikalno ali radioaktivno substanco ali snov v vodi. Kemijske spojine so v vodi prisotne kot stranski produkti dezinfekcije vode, namernega ali nenamernega sproščanja kemikalij v okolje, industrije, kmetijstva, itd. Pomembna skupina kemičnih onesnaževal v vodi so motilci endokrinega sistema, ki povzročajo številne zdravstvene težave, zato je na področju njihovega delovanja narejenih vse več študij (1).

1.1 Motilci endokrinega sistema

Endokrini sistem skupaj z živčevjem zagotavlja ravnovesje v organizmu. Sestavljen je iz žlez, ki tvorijo kemijske prenašalce (hormone). Ti se nato izločijo v krvni obtok in preko njega pridejo v vse organe telesa in se tam vežejo na receptorje. Vezava hormonov na receptorje vpliva na regulacijo rasti, razvoja, reprodukcije, energijskega ravnotežja, metabolizma in telesne teže. Hormonski motilci lahko vplivajo na sintezo naravnih hormonov, vezavo na transportne proteine v krvnem obtoku, metabolizem hormonov, ali pa delujejo kot agonisti ali antagonisti na receptorjih za hormone. Eksogene kemikalije lahko vplivajo tudi na izražanje hormonskih receptorjev in pretvorbo signala v hormonsko odzivnih celicah ter povzročajo epigenetske modifikacije celic, ki proizvajajo hormone ali tistih, ki vsebujejo receptorje zanje, vplivajo lahko tudi na proliferacijo ali apoptozo celic, ki proizvajajo hormone in tistih, ki so nanje odzivne. Izpostavljenost endokrinim motilcem zato poveča tveganje za neplodnost, kognitivne motnje, pojav raka in presnovne motnje (2).

Nekateri izmed endokrinih motilcev so lipofilni, v okolju zelo obstojni in se akumulirajo v prehranski verigi ter jih posledično lahko v telo vnesemo z mastno živalsko hrano. Pri živalih in ljudeh se uskladiščijo v maščobna tkiva in imajo zelo dolg razpolovni čas (nekateri celo več let). Pogosto ista učinkovina deluje na več različnih receptorjev v telesu, zato jih je težko razvrstiti v skupine, glede na njihovo toksično delovanje (3).

1.1.1 Najpogostejše skupine motilcev endokrinega sistema:

PCB-ji so poliklorirani bifenili, ki se razlikujejo po položaju in številu klorovih atomov na aromatskih obročih. So lipofilni in se dolgo zadržujejo v okolju zaradi svoje stabilnosti.

2

V telo jih vnesemo preko zelo mastne hrane (meso, ribe in mlečni izdelki). Uporabljajo jih za izdelavo elektroopreme, črnil, barv in adhezivov ter kot stabilizacijske dodatke v PVC oblogah električnih kablov in elektronskih komponent. Mehanizem njihove toksičnosti je odvisen od tega kako so klorovi atomi vezani na aromatski obroč. Delujejo lahko kot estrogeni, antiestrogeni, nevrotoksično, nekateri pa tudi na receptor za arilne ogljikovodike (3).

Dibenzodioksine v telo vnesemo z morsko hrano, mesom in mlečnimi izdelki. Nastanejo kot stranski produkt pri proizvodnji herbicidov, razkužil in ob gorenju odpadkov. Delujejo kancerogeno, imunosupresivno ter povzročajo razvojne in reproduktivne težave (3).

Organoklorovi pesticidi so skupina, katere glavni predstavnik je dikloro-difenil-trikloroetan (DDT). Je lipofilen in v okolju zelo stabilen. V uporabi so bili v kmetijstvu kot pesticidi, danes pa je DDT prepovedan. V telo jih vnesemo z mastno hrano, delujejo pa antiandrogeno (3).

Ftalati so estri ftalne kisline. Uporabljajo se kot mehčala v proizvodnji plastike, kozmetičnih izdelkov, v farmaciji in prehrani. Ponekod je njihova uporaba za proizvodnjo otroških igrač prepovedana. Delujejo na s peroksisomskim proliferatorjem aktivirane receptorje (PPAR), povzročajo feminizacijo moških in so rakotvorni (3).

Perfluorokarboksilne kisline se uporabljajo v industriji za izdelavo prehranske embalaže, vodoodpornih oblačil, kozmetičnih izdelkov, barv itd. V telo jih vnesemo z morsko hrano in pitjem kontaminirane vode. Delujejo na tiroidne in deloma tudi na PPAR alfa receptorje.

Povzročajo raka, bolezen ščitnice, ulcerozni kolitis in hiperholesterolemijo (3).

Bisfenoli pa so detaljneje opisani v naslednjem poglavju.

1.2 Bisfenoli

Bisfenoli spadajo med zelo pogosto uporabljane industrijske kemikalije in so sestavljeni iz dveh fenolnih obročev, v večini primerov povezanih z ogljikovim atomom, ki deluje kot most (metilenska skupina), včasih pa tudi s sulfonsko (BPS) ali katero drugo funkcionalno skupino.

Uporabljajo se pri izdelavi polikarbonatne plastike, ki je pogosto prisotna v izdelkih, kot so embalaža za hrano, zobni materiali, DVD-ji, itd. Uporabljajo se tudi v proizvodnji epoksi smol, ki so namenjene izdelavi oblog v konzervah (3).

Čeprav imajo, tako kot ftalati, kratek razpolovni čas, so vseeno problematični, saj smo jim zaradi njihove prisotnosti v različnih izdelkih izpostavljeni vsak dan. Svoje toksične učinke izražajo z indukcijo oksidativnega stresa, oviranjem delovanja mitohondrijev in stimulacijo sinteze provnetnih citokinov, poleg tega pa delujejo kot hormonski motilci.

3

Vežejo se na estrogenske, androgenske, progesteronske, tiroidne in aril-ogljikovodikove receptorje. Izpostavljenost bisfenolom poveča tveganje za debelost, diabetes, odpoved jeter, srčno-žilne bolezni, neplodnost in težave v razvoju (3, 4).

1.2.1 Bisfenol A

Po nomenklaturi IUPAC je bisfenol A (BPA) 4-[2-(4-hidroksifenil)propan-2-il]fenol. Struktura BPA je prikazana na sliki 1 (5).

Slika 1: Strukturna formula bisfenola A.

V ZDA se je komercialna proizvodnja BPA začela leta 1957, leta 2004 pa je njegova letna proizvodnja v tej državi že dosegla milijon ton, na svetu pa presegla 5 milijonov ton (6). Leta 2020 je bilo proizvedenih že 7,72 milijonov ton BPA (52). Sinteza BPA poteka s kondenzacijo fenola z acetonom, v prisotnosti kislinskega katalizatorja. Kot toksično substanco, ki je pomembno onesnaževalo v vodi, so jo v okoljskih vodah začeli meriti v zadnjih letih 20.

stoletja, od takrat naprej pa je število raziskav čedalje višje. V raziskavah koncentracije BPA v komunalnih čistilnih napravah so izmerili koncentracije vse od nezaznavnih pa do 370 µg/L, pri čemer pa njegova koncentracija večinoma ni presegala 5 µg/L. Zaradi povečevanja proizvodnje in porabe BPA v državah v razvoju potrebe po njem nenehno rastejo. Med letoma 2000 in 2006 se je poraba v Aziji v povprečju vsako leto povečala za kar 13 %. (6)

Pri polimerizaciji BPA s karbonil kloridom ali difenil karbonatom nastane polikarbonatna plastika, ki se uporablja za izdelavo embalaže za hrano in pijačo, proizvodnjo medicinske opreme, elektronike, adhezivov, gradbenih materialov, avtomobilov, itd. BPA se uporablja tudi za proizvodnjo epoksi smol, namenjenih za obloge v konzervah za hrano in pijačo. Kemikalija je v vodi srednje topna (120–300 mg/L). Hitra fotooksidacija in razpad BPA v zraku sta vzrok za njegov kratek razpolovni čas, ki je v zraku manj kot 1 dan, v vodi 38 dni in v zemlji 75 dni.

Večina ljudi je na industrializiranih območjih vsakodnevno izpostavljena prevelikim koncentracijam BPA. Pri človeku je najpogostejši način njegovega vnosa preko konzervirane hrane. Koliko BPA se sprosti v hrano, pa je odvisno od časa, ko je hrana shranjena v konzervi, temperature shranjevanja in vrednosti pH. Varni odmerek, z upoštevanjem varnostnega faktorja 1000, je 50 μg/kg/dan, glede na U.S. EPA. Evropska agencija za varnost hrane (EFSA), pa je

4

to mejo postavila na 4 μg/kg/dan (6). Glede na oceno zadnjih študij je EFSA predlagala znižanje TDI (sprejemljivega dnevnega vnosa) na 0,04 ng/kg/dan. Vzrok za to so neželeni učinki BPA na imunski sistem (alergijsko vnetje pljuč), do katerih lahko pride že pri vnosu BPA v količinah trenutne vrednosti TDI. Ker trenutni vnos BPA pri večini ljudi presega predlagani TDI, to predstavlja veliko tveganje za njihovo zdravje (53). Vnos BPA s hrano varira od 0.1 do 5 μg/kg telesne teže na dan, pri otrocih pa celo do 13 μg/kg/dan.

V telesu se hitro metabolizira, t1/2 = 5,3 ure in se z urinom izloči iz telesa. Metabolizem poteka v jetrih, kjer se BPA konjugira povečini z glukuronsko kislino (s pomočjo UDP glukuronil transferaze), lahko pa pride tudi do nastanka sulfatov in oksidativnih metabolitov. BPA prehaja placentarno bariero, zato lahko vpliva na različne fiziološke funkcije ploda (6).

Prvič so BPA sintetizirali že leta 1891, njegovo estrogeno delovanje pa so dokazali leta 1936 in od takrat odkrili še več mehanizmov delovanja na človeka. Z 10 000-100 000 x nižjo afiniteto od estradiola se veže na estrogenske receptorje ERα in ERβ, kar zvišuje telesno težo in verjetnost za pojav tumorjev. Preko agonizma na estrogenskih receptorjih se poveča proliferacija in migracija ovarijskih celičnih linij, kar pospešuje malignost tumorjev. Delovanje na receptor GPR30 (G protein-coupled receptor), ki je neklasičen estrogenski receptor povzroča debelost in inzulinsko rezistenco. Deluje tudi kot antagonist na androgenskih receptorjih in s tem zavira spermatogenezo, steroidogenezo, povzroča atrofijo testisov in zmanjša število ter mobilnost spermijev.

Z aktivacijo s peroksisomskim proliferatorjem aktiviranega receptorja gama (PPAR γ) stimulira sintezo maščobe, povzroča akumulacijo lipidov v jetrih in maščobnih celicah ter spremeni koncentracije citokinov. BPA povzroča tudi epigenetske spremembe, kot so DNA-metilacija, histonske spremembe in spremembe v izražanju mikroRNA (miRNA).

Vpleta se tudi v sintezo in sekrecijo ščitničnih hormonov, in sicer tako, da poveča koncentracijo T3 in zniža koncentracijo TSH v krvi. Deluje tudi kot delni agonist na glukokortikoidnih receptorjih in na ta način stimulira adipogenezo (7). Posledice dolgotrajne prekomerne izpostavljenosti BPA so diabetes tipa 2, inzulinska rezistenca, morfološke spremembe srca, debelost, rak na prsih, rak na jajčnikih, rak prostate, kolorektalni rak, prezgodnji nastop pubertete, spontani splavi, slabša ženska in moška plodnost ter različne alergije (povišana vrednost interlevkina-4 in IgE) (7, 8).

5

1.2.2 Bisfenol S

Po nomenklaturi IUPAC je bisfenol S (BPS) 4-(4-hidroksifenil)sulfonilfenol. Strukturna formula BPS je prikazana na sliki 2 (5).

Slika 2: Strukturna formula bisfenola S.

Poleg bisfenola A je edini dovoljen za izdelavo embalaže za prehransko industrijo v Evropski uniji, saj je o toksičnih učinkih drugih bisfenolov narejenih premalo raziskav (9). Kot odziv na vse večji pritisk javnosti, ki je bila vse bolj ozaveščena o toksičnih učinkih BPA, je kemična industrija okoli leta 2000 uvedla BPS, ki je veljal za varno zamenjavo za BPA (10). Dobra lastnost BPS je namreč ta, da se, v primerjavi z BPA, iz plastike, ki ga vsebuje v manjši meri sproščajo njegovi monomeri. Plastika narejena iz BPS je odpornejša na toploto in svetlobo (14).

Hitro pa so ugotovili, da ima tudi BPS neželeno endokrino delovanje, in da se pojavlja v človeškem urinu. Ker je bilo narejenih malo raziskav o njegovem toksičnem delovanju, vemo o tem dosti manj kot v primeru BPA (10). BPS so detektirali v hrani, hišnem prahu, kozmetičnih izdelkih in na denarju, v telo pa lahko pride z zaužitjem, inhalacijo in absorbcijo preko kože (12). Z analizo vzorcev reke Jangce, odvzetih na 120 različnih lokacijah so ugotovili, da se je BPS v tej reki nahajal v koncentracijah od 0,18 ng/L do 14,9 ng/L (55).

Glavni metabolit BPS je glukuronid, ki se iz telesa izloči z urinom (12). Danes se BPS v krvi ljudi nahaja v zelo podobnem koncentracijskem območju kot BPA in ima prav tako zelo podobne toksične učinke na zdravje (11). Šibko se namreč veže na estrogenske in androgenske ter aril-ogljikovodikove receptorje, in to z zelo podobno afiniteto kot BPA.

Pri podganah moškega spola so ugotovili, da poveča tvorbo reaktivnih kisikovih zvrsti in lipidno peroksidacijo, ter zniža tvorbo testosterona v testisih (12).

Deluje tudi toksično na razvoj možganov zarodka, predvsem na tiste predele, kjer sta nevrotransmiterja dopamin in serotonin, in sicer v podobni meri kot BPA (13). Pri ljudeh povzroča raka, metabolne bolezni, debelost, poškodbe DNA, poškodbe jeter, nevronov, oksidativni stres ter neželene endokrine in reproduktivne učinke (14).

1.2.3 Bisfenol F

6

Po nomenklaturi IUPAC je bisfenol F (BPF) 4-[(4-hidroksifenil)metil]fenol. Fenolna obroča povezuje metilenski most, ki je za razliko od drugih bisfenolov povezan le še z dvema vodikovima atomoma. Njegova strukturna formula BPF je prikazana na sliki 3 (5).

Slika 3: Strukturna formula bisfenola F.

V Evropski uniji še vedno ni v uporabi v velikem obsegu, tako da tu, za razliko od BPA in BPS, še ni problematičen za okolje in zdravje ljudi (17). Nasprotno pa je v ZDA, poleg BPA, glavni kontaminant v hrani (17). V raziskavi, ki so jo izvedli na pritoku reke Jangce na Kitajskem, so v rečni vodi izmerili povprečno koncentracijo 2.20 ng/L BPF (56). Tudi ta analog BPA so razvili, ker sta polikarbonatna plastika in epoksidna smola, ki nastaneta pri polimerizaciji BPF stabilnejši od tistih, ki nastaneta pri polimerizaciji BPA, zato se iz njiju sprošča manj škodljivih monomerov (15). BPF se uporablja za izdelavo steklenic za dojenčke, umetnih organov, dializatorjev, temperaturno obstojnih posod, toplotno obstojnega papirja, pesticidov, itd. (18).

V ZDA so BPF zaznali v urinu pri 55 od 100 preiskovancev, in sicer v povprečni koncentraciji 0.08 μg/L (16). Tako kot drugi bisfenoli se metabolizira v največji meri s konjugacijo z glukuronsko kislino ali sulfatom in se izloči z urinom (17). Kljub kratkotrajni uporabi je že uvrščen na seznam hormonskih motilcev s potrjenim endokrinim potencialom (15). Na človeških celičnih linijah so ugotovili celo 5x močnejše estrogeno delovanje BPF, kot v primeru BPA. Izpostavljenost BPF zavira biosintezo glutationa, glutation sintetaze, γ-glutamil transferaze in glutaminaze, kar deluje toksično na jetra in ledvica. Zavira tudi 5α-reduktazo, kar zmanjša tvorbo moških spolnih hormonov, povzroča pa tudi oksidativne poškodbe DNA (15).

1.2.4 Bisfenol AF

Po nomenklaturi IUPAC je bisfenol AF (BPAF) 4-[1,1,1,3,3,3-heksafluoro-2-(4- hidroksifenil)propan-2-il]fenol. Na metilenski most, ki povezuje dva fenolna obroča sta vezani 2 -CF3 skupini. Strukturna formula BPAF je prikazana na sliki 4 (5).

Slika 4: Strukturna formula bisfenola AF.

7

Nahaja se v hrani, pijači, prahu, zobozdravstvenih materialih, izdelkih za osebno nego in v tekstilnih izdelkih (21). Uporablja se za sintezo polikarbonatne plastike, epoksi smol ter fluoroelastomerov, katerih uporabo v ZDA je odobrila FDA, in sicer kadar BPAF predstavlja manj kot 2 % mase elastomera. V ZDA je glede na obseg proizvodnje srednje proizvajana kemikalija (19). V raziskavi rečne vode pritoka reke Jangce je bila povprečna izmerjena koncentracija BPAF 5,10 ng/L (56).

Njegovi glavni metaboliti so BPAF-diglukuronid, BPAF-glukuronid in BPAF-sulfat. Poskus na podganah je pokazal, da se BPAF zelo hitro absorbira v kri in tudi hitro eliminira, saj je razpolovni čas pri podganah 3,35 ure (19).

Na estrogenske receptorje (ERα in ERβ) se veže močneje od BPA, hkrati pa ima tudi več učinkov na izražanje genov kot BPA. Deluje tudi kot antagonist na androgenskih receptorjih.

Izkazuje genotoksični in nevrotoksični potencial ter inducira oksidativni stres v telesu (20).

Značilno zanj je tudi obesogeno delovanje, saj povzroča večjo občutljivost adipocitov na IFNγ, ki je citokin, povezan z debelostjo (22).

1.3 Napredni oksidacijski procesi (AOP)

Z vse večjo onesnaženostjo voda ter povečevanjem ozaveščenosti o negativnih učinkih tovrstnega onesnaževanja, se je začelo povečevati tudi zanimanje za možnosti reševanja te težave. Danes je v uporabi že veliko različnih metod za čiščenje vode, npr.: adsorpcija, membranska separacija, biološko čiščenje, redukcija in napredni oksidacijski procesi. Med omenjenimi metodami imajo velik potencial napredni oksidacijski procesi (AOP, ang.

advanced oxidation processes), ki so jih začeli uporabljati po letu 1980 za čiščenje pitne vode, pozneje pa tudi množično za čiščenje odpadnih voda. Z AOP lahko oksidirajo veliko različnih kontaminantov do neškodljivih spojin oz. CO2, H2O in anorganskih ionov, do slednjih v primeru popolne mineralizacije. Dobra stran AOP je tudi neselektivno delovanje, zato s temi postopki lahko odstranjujemo različna organska onesnaževala. Težava AOP pa je, da so dragi in včasih tvorijo toksične stranske produkte (23, 29). Delovanje AOP poteka preko tvorbe različnih radikalov, kot so hidroksilni radikal (OH^·), sulfatni radikal (SO4·^-), singletni kisik (¹O2) in superoksidni anion (O2·-). Hidroksilni radikal je med omenjenimi najmočnejši oksidant in ima visoko hitrostno konstanto za reakcije z organskimi spojinami ∼10⁸-10¹⁰ M⁻¹ s⁻¹ (24, 25, 29). AOP ponavadi vključujejo uporabo kemijskih agensov (kovine, ozon, H2O2) ter energijskih virov (UV ali vidna svetloba, ultrazvok, γ-sevanje in električni tok) (25, 26).

8

Reakcije hidroksilnih radikalov z različnimi organskimi onesnaževali si sledijo v naslednjem vrstnem redu: odvzem vodika (Enačba 1), prenos elektronov na hidroksilni radikal, pri čemer nastane OH^- (Enačba 2) in adicija hidroksilnega radikala (Enačba 3).

𝑂𝐻^·+ 𝑅𝐻 → 𝐻₂𝑂 + 𝑅^· Enačba 1 𝑂𝐻^·+ 𝑅𝑋 → 𝑂𝐻⁻+ (𝑅𝑋)^·+ Enačba 2 𝑂𝐻^·+ 𝑅₂𝐶 = 𝐶𝑅₂ → 𝑅₂𝐶^·− 𝐶𝑂𝐻𝑅₂ Enačba 3 V zgornjih enačbah vidimo, da se tvorijo radikali na organskih spojinah, ki se v prisotnosti kisika pretvorijo do peroksilnih radikalov. Ti nato v prisotnosti ostalih reaktivnih kisikovih zvrsti (H2O2 in O2·-), v idealnem primeru zreagirajo do popolne mineralizacije.

Hidroksilni radikali imajo zelo kratko življenjsko dobo, zato jih moramo generirati in situ, npr.

s pomočjo ozona ali H2O2, ultrazvoka, UV/VIS svetlobe in fotokatalizatorjev, itn. (26). Zadnje čase je velik poudarek na heterogeni fotokatalizi, kjer se fazi reaktantov in katalizatorja razlikujeta. Ponavadi so reaktanti v tekoči fazi, fotokatalizator pa je v trdni, suspendiran v reakcijsko mešanico. Kot heterogeni fotokatalizatorji se uporabljajo kovinski oksidi, še posebej titanov dioksid (TiO2), zadnje čase pa tudi nekovinski grafitni ogljikov nitrid (g-C3N4) (27).

1.4 Fotokataliza

Fotokatalizator je snov, ki se aktivira z absorpcijo fotonov svetlobe in je sposoben pospešiti kemijsko reakcijo, ne da bi se porabil. Kot fotokatalizatorji pri razgradnji onesnaževal in proizvodnji vodika, metana, metanola, formaldehida, mravljične kisline, itd., so v uporabi številni polprevodniki (40). Heterogeni fotokatalizatorji so polprevodni materiali, večinoma kovinski oksidi ali sulfidi, ki se v reakcijski mešanici nahajajo v obliki finih delcev, iz nje pa jih lahko odstranimo s centrifugiranjem ali filtracijo. Ob fotoekscitaciji polprevodnika s svetlobo, z energijo, ki je višja ali enaka energiji prepovedanega pasu, se elektron (e^-) iz valenčnega pasu (VB; najvišji z e^- še zasedeni energetski pas), prestavi v prevodni pas (CB;

naslednji energetski nivo, ki ni več zaseden z e^-), pri čemer v valenčnem pasu nastane elektronska vrzel (h⁺) (Enačba 4). Torej, ob prehodu vsakega elektrona skozi prepovedan pas v prevodni pas, nastane par elektron-vrzel (e^–/h⁺) (27) (Slika 5).

𝑔𝐶₃𝑁₄^{𝐸>𝐸𝑔}→

ℎ𝑣

𝑔𝐶₃𝑁₄(𝑒_𝑐𝑏⁻ + ℎ_𝑣𝑏⁺ ) Enačba 4

9

Slika 5: Prikaz heterogene fotokatalize, ki jo poganja sončna svetloba (povzeto po 40).

A - adsorbiran akceptor elektronov, D - adsorbiran donor elektronov, CB - prevodni pas, VB - valenčni pas. Eg predstavlja energijo prepovedanega pasu.

Elektroni in elektronske vrzeli lahko potujejo na površino polprevodnega delca, kjer elektroni reducirajo adsorbirane elektron akceptorje (Enačba 6), vrzel pa oksidira adsorbirane molekule ki služijo kot elektron donorji (Enačba 5). Če se vzbujeni elektron vrne nazaj v valenčni pas, pride do rekombinacije elektrona in vrzeli. Potek redukcije (z e^-) ali oksidacije (s h⁺) substrata je odvisen od redoks potenciala substrata in elektrokemijskega potenciala valenčnega ter prevodnega pasu fotokatalizatorja (47).

𝑔𝐶₃𝑁₄(ℎ_𝑣𝑏⁺ ) + 𝐷_𝑎𝑑𝑠 → 𝑔𝐶₃𝑁₄+ 𝐷_𝑎𝑑𝑠^·+ Enačba 5 𝑔𝐶₃𝑁₄(𝑒_𝑐𝑏⁻) + 𝐴_𝑎𝑑𝑠 → 𝑔𝐶₃𝑁₄+ 𝐴_𝑎𝑑𝑠^·− Enačba 6 Posredna oksidacija onesnaževal poteka tako, da elektronska vrzel na površini katalizatorja zreagira z vodo, pri čemer nastane hidroksilni radikal (Enačba 7), ki začne radikalske reakcije na onesnaževalu (Enačba 12). Reakcija prevodnih elektronov s kisikom, ki deluje kot elektron akceptor, vodi v nastanek superoksidnega radikala (Enačba 8), preko katerega se v nadaljnjih reakcijah tvori hidroksilni radikal (Enačbe 9, 10, 11). Hidroksilni radikal nato zreagira z organskimi onesnaževali do njihove mineralizacije, kar smo podrobneje opisali že v poglavju Napredni oksidacijski procesi (27, 30).

𝑔𝐶₃𝑁₄(ℎ_𝑣𝑏⁺ ) + 𝐻₂𝑂 → 𝑔𝐶₃𝑁₄+ 𝑂𝐻^·+ 𝐻⁺ Enačba 7 𝑔𝐶₃𝑁₄(𝑒_𝑐𝑏⁻) + 𝑂₂ → 𝑔𝐶₃𝑁₄+ 𝑂₂·− Enačba 8 𝑂₂^−·+ 𝐻⁺ → 𝐻𝑂𝑂^· Enačba 9 2𝐻𝑂𝑂^· → 𝑂₂+ 𝐻₂𝑂₂ Enačba 10 𝐻₂𝑂₂+ 𝑂₂^·− → 𝑂𝐻^·+ 𝑂𝐻⁻+ 𝑂₂ Enačba 11 𝑂𝐻^·+ 𝐷_𝑎𝑑𝑠 → 𝐷_{𝑜𝑘𝑠𝑖𝑑} Enačba 12

10

Za uporabo v fotokatalizi je pomembno, da ima fotokatalizator primerno energijo prepovedanega pasu, kristalno obliko in morfologijo, dovolj veliko specifično površino in čim nižjo hitrost rekombinacije elektronov v prevodnem pasu z vrzelmi (31).

Kovinski polprevodniki, ki so primerni za fotokatalizo so WO3 , ZnS, CdS, Fe2O3, TiO2, ZnO, SnO2 in Cu2O (27,31). Zaenkrat so najučinkovitejši katalizatorji še vedno kovinski materiali, a se njihova uporaba omejuje, saj so dragi in toksični.

Med polprevodnimi kovinskimi oksidi je najboljši TiO2, in sicer zaradi nizke cene, visoke aktivnosti in stabilnosti na svetlobi. TiO2 ima visoko energijo prepovedanega pasu, ki je pri anatazni obliki 3.2 eV, kar pomeni, da je za ekscitacijo potrebna valovna dolžina svetlobe nižja od 385 nm, kar spada že v UV območje (27). To je slabost TiO2 kot fotokatalizatorja, saj je delež UV svetlobe pri sončni svetlobi zgolj 5 %. Preostali del sončnega sevanja namreč predstavljata vidna s 43 % in IR svetloba s 52 % (36).

Vse bolj postajajo priljubljeni tudi nekovinski polprevodni fotokatalizatorji, sestavljeni iz elementov, ki jih je na Zemlji v izobilju (P, N, C, S). Primer tovrstnega uspešnega katalizatorja je ogljikov nitrid, ki je sintetični polimer z več alotropskimi modifikacijami, med katerimi je najbolj priljubljen grafitni C3N4 (28).

1.5 Grafitni ogljikov nitrid v reakcijah fotokatalize

Ogljikov nitrid je eden najstarejših dokumentiranih polimerov, saj je bil prvič opisan že leta 1834, ko je Berzelius pridobil linearen polimer, ki ga je imenoval melona. Grafitna oblika ogljikovega nitrida je bila prvič sintetizirana leta 1922. Vse oblike ogljikovega nitrida, z izjemo grafitnega C3N4, izkazujejo izjemno trdnost (43).

Grafitni ogljikov nitrid je v rabi kot organski polprevodniški fotokatalizator za cepitev vode, redukcijo CO2, umetno fotosintezo in razgradnjo škodljivih organskih spojin.

Ker deluje na sončni svetlobi, ima velik potencial za okolju prijazno uporabo. Danes imamo na voljo rezultate vse več uspešnih raziskav na temo čiščenja odpadnih voda, predvsem v smislu razgradnje endokrinih motilcev in farmacevtskih učinkovin v vodi (28, 32). Čisti g-C3N4 ima zelo dobro protibakterijsko in protivirusno delovanje, če ga obsevamo z vidno svetlobo, zato bi ga lahko uporabljali tudi za dezinfekcijo vode (37). V prihodnosti naj bi fotokatalizatorje uporabljali tudi za izboljševanje kakovosti zraka v notranjih prostorih. Z njim naj bi odstranjevali aldehide in druge strupene substance, ki se sproščajo s pohištva in dražijo dihala ter povzročajo glavobol, omotico in slabost. Uporabljali naj bi jih tudi za odstranjevanje

11

strupenih dušikovih oksidov iz zraka. Čeprav je narejenih že veliko raziskav, s katerimi so potrdili možnost uporabe g-C3N4 za odstranjevanje množice toksičnih organskih snovi, pa ga v praksi le malokrat uporabljajo za ta namen (38).

Vsekakor je privlačen, saj ne vsebuje kovin, deluje na vidni svetlobi, je netoksičen, stabilen v močnih kislinah, bazah in pri visoki temperaturi ter se dobro dispergira v vodi.

V običajnih topilih, kot so voda, etanol, tetrahidrofuran, toulen, dietileter, itd. je g-C3N4

netopen. Termogravimetrična analiza je pokazala, da je stabilen pri temperaturah vse do 600

°C, njegov popoln razpad pa se zgodi šele pri 700 °C. Vzrok za njegovo stabilnost so Van der Waalsove sile med zloženimi grafitnimi plastmi. Prednost g-C3N4 predstavlja tudi dejstvo, da ga lahko sintetiziramo iz več različnih prekurzorjev, ki so poceni in široko dostopni, ob tem pa ga ni težko pripraviti (39).

Ima zelo ugodno energijo prepovedanega pasu (2,7 eV), kar pomeni, da je za prehod elektronov v prevodni pas dovolj vidna svetloba z valovno dolžino nižjo od 470 nm. Elektrokemijski potencial valenčnega pasu je 1.4 V, prevodnega pa -1,3 V, glede na standardno vodikovo elektrodo. Sintetiziramo ga s termično polikondenzacijo iz različnih prekurzorjev, ki so bogati z dušikom (npr. melamin, dicianodiamid, tiosečnina, sečnina, cianamid, gvanidinijev klorid, gvanidinijev tiocianat in triazoli). Slabosti g-C3N4 kot fotokatalizatorja pa so: kratek rekombinacijski čas (prevodni elektroni in vrzeli so manj časa na voljo za sodelovanje pri fotokatalitskih reakcijah), počasen premik e^- in h⁺ na površino fotokatalizatorja, omejeno število aktivnih mest na površini, slaba absorpcija svetlobe in majhna specifična površina.

Grafitni ogljikov nitrid ima slabše fotokatalitične lastnosti od kovinskih polprevodnikov, zato poskušajo z različnimi postopki izboljšati njegovo aktivnost. V ta namen g-C3N4 izdelujejo v obliki nanodelcev, ga dopirajo z drugimi elementi (fluor, fosfor, žveplo, kobalt, Fe, Zn), tvorijo heterostike z drugimi polprevodniki ter tvorijo dušikove defekte v njegovi strukturi (33).

Dopiranje pomeni dodajanje majhne količine nečistote v strukturo polprevodnika, da bi s tem izboljšali njegove polprevodne lastnosti. Polprevodnik tipa n dobimo, če polprevodniku dodamo nečistote, ki mu oddajo valenčni elektron ter s tem povečajo njegovo prevodnost (npr.

fosfor in dušik). S p-dopiranjem dobimo polprevodnik tipa p, pri čemer nečistota polprevodniku odtegne elektron in pride na njem do nastanka elektronskih vrzeli (npr. aluminij). Grafitni ogljikov nitrid lahko dopiramo s kovinami ali nekovinami, s čimer znižamo energijo prepovedanega pasu in povečamo separacijo prevodnih elektronov in elektronskih vrzeli.

Dvodimenzionalne (2D) materiale je zelo zahtevno dopirati, saj moramo uporabljati tehnike, ki ne poškodujejo strukture (41, 42).

12

Dušikovi defekti v strukturi lahko znižajo energijo prepovedanega pasu in delujejo kot pasti za vzbujene elektrone in vrzeli, s čimer podaljšajo rekombinacijski čas. Izdelava heterostikov pomeni združitev dveh polprevodnikov, ki sta med seboj povezana s heterostiki. Heterostiki tvorijo notranje električno polje, ki poveča separacijo nabojev in razširi aktivnost katalizatorja v področje višjih valovnih dolžin svetlobe. Če se elektrodna potenciala VB in CB pri enem katalizatorju nahajata znotraj VB in CB drugega katalizatorja heterostik ne deluje, saj se oba nosilca naboja prestavita na en polprevodnik, kjer se začne odvijati neželena rekombinacija.

Primer tvorbe uspešnih heterostikov je g-C3N4/TiO2. V tem primeru gredo prevodni elektroni z g-C3N4 na TiO2 in elektronske vrzeli s TiO2 na g-C3N4, s tem pa se zavre hitrost rekombinacije (33, 42) (Slika 6).

Slika 6: Heterostik med g-C3N4 in TiO2 (povzeto po 44).

Za povečanje specifične površine izdelujemo nanodelce z veliko poroznostjo, kot so nanopalčke, nanolisti in nanocevke. Nanocevke imajo večjo specifično površino, nižjo hitrost rekombinacije, bolje absorbirajo vidno svetlobo zaradi večjega odboja vpadne svetlobe na tubularni strukturi in imajo tudi več aktivnih mest (33).

1.5.1 Struktura g-C

N

Grafitni ogljikov nitrid ima grafitu podobno 2D strukturo, v kateri so posamezni gradniki razporejeni v ravne plasti, med seboj povezane z Van der Waalsovimi vezmi. Izbira prekurzorja in metode polikondenzacije vodi v nastanek dveh glavnih strukturnih tipov g-C3N4. Prvi tip je sestavljen iz s-triazinskih enot (obroči C3N3), ki jih med seboj povezuje terciarna amino skupina. Drugi tip g-C3N4 pa je zgrajen iz tri-s-triazinskih enot (C6N7), ki so med seboj

13

povezane s terciarno amino skupino s C-N vezjo. Strukturi obeh oblik sta predstavljeni na Slikah 7 in 8.

Drugi tip ima v svoji mrežasti strukturi več praznin od prvega, saj je osnovni gradnik sestavljen iz večjih aromatskih obročev. Večinoma je g-C3N4 sestavljen iz segmentov drugega tipa, ker je ta oblika termodinamsko stabilnejša od strukture prvega tipa. Zato je najbolj verjetno, da je tri- s-triazinsko jedro temelj za tvorbo g-C3N4 strukture.

Zaključimo lahko, da je g-C3N4 2D polimerni material, sestavljen iz kovalentno povezanih sp² hibridiziranih ogljikovih in dušikovih atomov. Njegove strukturne lastnosti, materialno sestavo in kristaliničnost pa lahko opazujemo z rentgensko praškovno difrakcijo (XRD) in rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS) (34).

1.5.2 Sinteza g-C

N

Za sintezo 2D, med seboj povezanih plasti, potrebujemo z dušikom bogate prekurzorje, brez neposrednih C-C vezi. Najpogosteje g-C3N4 izdelujejo s termično polikondenzacijo, pri kateri nastane produkt z majhno specifično površino (S<10 m²g⁻¹). Za sintezo mezoporoznih materialov z večjo specifično površino, pa uporabljajo različne predloge in druge metode, ki pri tvorbi produkta povzročijo večjo poroznost in omogočijo izdelavo g-C3N4 z različnimi morfologijami.

Nujna koraka pri sintezi g-C3N4 sta tvorba melamina s poliadicijo in odstranitev amino skupin s polikondenzacijo. Za polimerizacijo potrebujejo različni prekurzorji g-C3N4 različne termične

Slika 8: g-C3N4 iz tri-s-triazinskih enot (povzeto po 34).

Slika 7: g-C3N4 iz s-triazinskih enot (povzeto po 34).

14

pogoje. Ker je g-C3N4 stabilen do 600 °C, poteka njegova sinteza najpogosteje pri temperaturi med 550 °C in 600 °C (34, 40).

Metode za povečanje specifične površine g-C3N4:

Metoda Sol-gel (metoda z uporabo trde predloge) je enostaven in učinkovit postopek, zato je njena uporaba razširjena pri sintezi mnogih polimerov. Pri tej metodi prekurzor g-C3N4

zmešamo s prekurzorjem SiO2 (koloidni SiO2) v raztopini. Raztopino nato sušimo, da nastane transparenten gel, ki ga nato kalciniramo pri približno 550 °C v dušikovi atmosferi, na koncu pa odstranimo SiO2 z NH4HF2. Tako dobljeni material nato speremo z deionizirano vodo in etanolom. Slabost metode sol-gel je toksičnost NH4HF2, saj lahko ta zreagira s kalcijem v telesu. Pri tej metodi služi SiO2 kot predloga, da dobimo produkt, ki je ustrezno porozen. Okoli koloidnih SiO2 delcev namreč pri kalcinaciji nastane grafitni polimer. Ko SiO2 odstranimo z NH4HF2, pa dobimo grafitni ogljikov nitrid s porozno strukturo (33, 43).

Ultrazvočna metoda je metoda s katero lahko povečamo čistost g-C3N4, znižamo energijo prepovedanega pasu, spreminjamo obliko in povečamo specifično površino. Sinteza poteka tako, da najprej segrevamo prekurzor na 550 °C tako, da nastane g-C3N4. Ko se material ohladi, dodamo destilirano vodo in mešamo nekaj minut. Nato damo suspenzijo v ultrazvočni dezintegrator za nekaj ur, potem pa koloidno raztopino posušimo v peči, da dobimo suh nanoprah (43).

Metoda z uporabo mehke predloge je enostavna in poceni. Pri njej uporabljamo površinsko aktivne snovi, ki jih zmešamo skupaj s prekurzorjem, nato pa mešanico segrevamo. Površinsko aktivne snovi tvorijo micele, ki zagotovijo poroznost v strukturi g-C3N4. Dobra lastnost je, da se površinsko aktivne snovi odstranijo že med segrevanjem, zato nam teh predlog ni treba odstranjevati s posebnim korakom. Slabosti pa sta slaba strukturna stabilnost in neučinkovitost.

Pri sintezi g-C3N4 to metodo uporabljajo le redko (33, 54).

Samopredložna metoda postaja vse bolj priljubljena pri izdelavi nanomaterialov. Pri izdelavi g- C3N4 je predloga kar supramolekularni intermediat, ki nastane zaradi vodikovih vezi. Najprej mešajo z dušikom bogati prekurzor, npr. melamin, tiosečnino, sečnino, itd., 2 uri v 40 mL H2O.

Mešanico nato prenesejo v teflonski avtoklav in jo 4–16 ur segrevajo na 200 °C . Nato jo sperejo z deionizirano vodo in posušijo. S tem pridobijo supramolekularni intermediat, ki je medsebojno povezan z vodikovimi vezmi in služi kot predloga samemu sebi za nastanek mezoporoznega g-C3N4 pri polikondenzaciji.

15

V primeru melamina se pri avtoklaviranju del le-tega pretvori v cianurično kislino, ki se nato z melaminom poveže s tremi vodikovimi vezmi v supramolekularni intermediat. Nastanek supramolekularnega intermediata so potrdili z rentgenskim difraktogramom, kjer ni bilo melaminskih vrhov, kar pomeni, da se je ves pretvoril v intermediat.

S kalciniranjem supramolekularnega intermediata do g-C3N4 pride tudi do nastanka dušikovih defektov (delno izginotje sp³ hibridiziranega dušika, ki med seboj povezuje heptazinske obroče v strukturi g-C3N4), zato se zniža razmerje med atomoma N in C v strukturi. Omenjeni dušikovi defekti povečajo učinkovitost fotokatalizatorja, saj podaljšajo njegov rekombinacijski čas in znižajo energijo prepovedanega pasu (33, 34).

16

2 Namen dela

Namen magistrske naloge bo sinteza različnih fotokatalizatorjev g-C3N4 in določitev njihovih strukturnih, površinskih in katalitskih lastnosti. Želimo ugotoviti, kateri izmed uporabljenih prekurzorjev nam bo, ob uporabi izbrane metode sinteze, omogočil pridobitev katalizatorja z najboljšimi fotokatalitskimi lastnostmi. Najprej bomo iz dicianodiamida, tiosečnine in melamina z avtoklaviranjem pripravili supramolekularni intermediat in ga posušili. Nato bomo intermediat pretvorili v g-C3N4 s kalciniranjem. Sintetizirane fotokatalizatorje g-C3N4 bomo okarakterizirali z različnimi metodami, s katerimi bomo določili njihove fotokatalitske aktivnosti in iskali razlage za razlike med njimi.

Z merjenjem fotoluminiscence trdnih vzorcev bomo določali hitrost rekombinacije elektronov in vrzeli na površju pripravljenih fotokatalizatorjev. Z UV-VIS difuzno refleksijo bomo merili absorbanco svetlobe pri valovnih dolžinah UV in VIS območij in na ta način ocenili mejno valovno dolžino svetlobe, ki je potrebna, da vzbujeni elektron preide v prevodni pas. Urejenost kristalnih struktur bomo raziskovali z rentgensko praškovno difrakcijo (XRD). Z adsorpcijo dušika na površino fotokatalizatorjev bomo merili premere, specifično površino in volumne por. Obliko in velikost delcev bomo določali z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Z infrardečo spektroskopijo (FTIR) bomo potrjevali nastanek g-C3N4 in obstoj tipičnih vezi, ki so značilne zanj. S temperaturno programirano desorpcijo (TPD) piridina bomo določali količino kislih mest na fotokatalizatorju. S termogravimetrično analizo pa bomo opredelili stabilnost katalizatorja pri zviševanju temperature do 650 °C.

Sposobnost tvorbe reaktivnih zvrsti, kot so hidroksilni radikal, superoksidni radikal in elektroni v prevodnem pasu, bomo določali s kumarinom in oksidirano obliko 2,2'-azino-bis-(3- etilbenzotiazolin-6-sulfonske kisline) (ABTS^·+). Tvorbo hidroksilnega radikala bomo določili s kumarinom, pri čemer se omenjeni radikal veže na kumarin in nastane 7-hidroksikumarin.

Koncentracijo 7-hidroksikumarina pa bomo nato merili kot fluorescenco pri 450 nm, kjer se nahaja tipični vrh za nastali produkt. Količine nastalih superoksidnih radikalov in elektronov bomo določali z redukcijo ABTS^·+, pri čemer bomo zniževanje njegove relativne koncentracije merili z UV-VIS spektroskopijo.

Določanje uspešnosti razgradnje endokrinega motilca bisfenola A (BPA) bomo izvedli z vsemi od treh sintetiziranih g-C3N4. Najaktivnejšega med njimi bomo uporabili še za razgradnjo bisfenolov F (BPF), S (BPS) in AF (BPAF). Odstotke razgradnje bisfenolov pri različnih časovnih točkah bomo določili s tekočinsko kromatografijo visoke ločljivosti (HPLC). Znižanje količine organskega ogljika v vzorcu, odvzetem po koncu fotokatalitske reakcije, bomo

17

ovrednotili z analizo skupnega organskega ogljika (TOC; ang. total organic carbon) v vzorcih, odvzetih pred in po koncu reakcije. Za določitev obsega adsorpcije bisfenolov na površino fotokatalizatorjev, pa bomo izvedli elementno analizo CHNS katalizatorjev pred in po njihovi uporabi v reakciji fotokatalitske razgradnje.

Delovne hipoteze:

a) Z uporabo različnih prekurzorjev za sintezo g-C3N4 bomo pridobili fotokatalizatorje z različnimi lastnostmi in različno učinkovitostjo fotokatalitske razgradnje.

b) Katalizatorji g-C3N4, ki jih bomo pripravili, bodo izkazovali precejšno razgradnjo proučevanih bisfenolov.

c) Najvišjo fotokatalitsko aktivnost bomo izmerili pri uporabi tistega fotokatalizatorja, ki bo imel najboljše tiste lastnosti, s katerimi razlagamo njihove aktivnosti.

18

3 Materiali in metode

3.1 Materiali

- BPA proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 80-05-7, LOT: 06326PO, čistota ≥ 99 %.

- BPF proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 620-92-8, LOT: 00126LNV, čistota ≥ 98 %.

- BPAF proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 1478-61-1, LOT: 12710JBV, čistota ≥ 97 %.

- BPS proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 80-09-1, čistota ≥ 98 %.

- Tiourea proizvajalca Merck KGaA, številka CAS: 62-56-6, čistota ≥ 99 %.

- Dicianodiamid (DCDA) proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 461-58-5, LOT:

WXBC9375V, čistota ≥ 99 %.

- Melamin proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 108-78-1, LOT: MKCJ5745, čistota ≥ 99 %.

- ABTS proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 30931-67-0, LOT: SLBV5859, čistota ≥ 98 %.

- Kumarin proizvajalca Thermo Fisher (Kandel) GmbH, številka CAS: 91-64-5, LOT: 10204363, čistota ≥ 98 %.

- K2S2O8 proizvajalca Sigma-Aldrich, številka CAS: 7727-21-1, čistota ≥ 99 %.

- Ultra čista voda, Purelab Option-Q, 18,2 MΩ·cm.

3.2 Metode

3.2.1 Priprava raztopin

1) Priprava raztopine kumarina

Raztopino kumarina smo pripravili v 500 mL bučki, in sicer z raztapljanjem 100 mg kumarina v 18,2 MΩ·cm vodi. Bučko smo ovili z aluminijasto folijo in raztopino mešali z magnetnim mešalom 16 ur na sobni temperaturi. Bučko smo nato zaprto in ovito v aluminijasto folijo hranili v hladilniku.

2) Priprava raztopine ABTS^·+

Raztopino smo pripravili v 5 mL bučki z raztapljanjem 17,2 mg ABTS in 3,3 mg K2S2O8 v ultračisti vodi. Bučko smo, ovito v aluminijasto folijo, postavili na magnetno mešalo, kjer smo raztopino mešali 16 ur na sobni temperaturi. Pred uporabo smo pripravljeno raztopino shranjevali v hladilniku.

19

3) Priprava raztopin bisfenolov BPA, BPF, BPS in BPAF

Najprej smo pripravili 10 mg/mL (c = 0,0438 mmol/L) raztopino BPA in nato še ekvimolarne raztopine preostalih bisfenolov z masnimi koncentracijami: BPF = 8,77 mg/L, BPAF = 14,73 mg/L, BPS = 10,96 mg/L. Vse raztopine smo pripravili v dvolitrskih bučah. Najprej smo na tehtnici (XP 105 DR, Mettler Toledo, ZDA) zatehtali ustrezne mase bisfenolov (20 mg BPA, 17,54 mg BPF, 21,92 mg BPS in 29,46 mg BPAF). V bučko smo nalili okoli 2 dL 18,2 MΩ·cm vode in vanjo kvantitativno prenesli natehtana onesnaževala ter jo do oznake dopolnili z ultračisto vodo. Bučke smo ovite v aluminijasto folijo postavili na magnetno mešalo (C-MAG HS-7, IKA, Nemčija) in jih mešali 16 ur na sobni temperaturi. Nato smo jih pred uporabo shranjevali v hladilniku.

3.2.2 Priprava fotokatalizatorjev

1) Priprava g-C3N4 iz DCDA (dicianodiamid) ali melamina

Najprej smo natehtali 2 g DCDA (ali melamina) in ga prenesli v teflonski valj, dodali 40 mL ultračiste vode in dve uri mešali z magnetnim mešalom na stopnji 2. Teflonski valj smo nato vstavili v avtoklav Berghoff BR-100 (Berghoff Instruments, Nemčija) in mešanje vklopili na 800 rpm. Temperaturni program smo nastavili tako, da je v prvem koraku temperatura narasla do 115 °C s hitrostjo 30 °C na minuto in na nastavljeni temperaturi ostala 5 min. V drugem koraku je temperatura narasla na 200 °C s hitrostjo 10 °C na minuto in je na omenjeni temperaturi ostala 12 ur. Ko se je valj ohladil na sobno temperaturo, smo vsebino prelili v centrifugirko ter centrifugirali trikrat s 5000 obrati na minuto za 5 minut. Po vsakem centrifugiranju smo odlili supernatant in dolili novo destilirano vodo. Nato smo usedlino prelili v bučko in rotavapirali s počasnim spustom tlaka (čas spuščanja tlaka = 2h 13 min) na 35 mbar.

Rotacija bučke na rotavaporju je bila nastavljena na 100 rpm, temperatura hlajenja na 10 °C in temperatura kopeli na 60 °C. Nadalje smo 1 g posušenega intermediata natehtali v odprto oglato ladjico in dali v cevno peč Eurotherm Carbolite (Eurotherm, Združeno kraljestvo). Peč smo najprej 30 min prepihovali z argonom (40NL/h), da se je vzpostavila atmosfera, ki smo jo z istim pretokom vzdrževali celoten čas kalciniranja. Nato smo prižgali temperaturni program pri katerem se je temperatura zviševala za 120 °C/h do 550 °C in se na tej temperaturi obdržala za 4 ure. Po končanem postopku smo počakali, da se je produkt ohladil na sobno temperaturo in ga rahlo zmleli v terilnici, s čimer smo pridobili končni produkt. Iz melamina smo pridobili sivorjav in puhast produkt (slika 9 a), iz DCDA pa zlatorjav, bolj kompakten produkt (slika 9b).

20

a) b) c)

g-C3N4 iz melamina je označen kot g-C3N4 M, g-C3N4 iz dicianodiamida je označen kot g-C3N4 D in g-C3N4 iz tiosečnine je označen kot g-C3N4 T.

2) Priprava g-C3N4 iz tiosečnine

Natehtali smo 2 g tiosečnine in jo prenesli v 200 mL teflonski valj skupaj s 40 mL ultračiste vode in dve uri mešali z magnetnim mešalom na stopnji 2. Nato smo teflonski valj prenesli v avtoklav z istim temperaturnim programom kot pri sintezi grafitnega ogljikovega nitrida iz DCDA in melamina. Med reakcijo v avtoklavu se je v zraku pojavil vonj po žveplu. Nato smo vsebino valja prenesli v 50 mL lonček, zamrznili vsebino v zamrzovalniku na -22,5 °C in 3 dni liofilizirali v liofilizatorju (Martin Christ, Nemčija). Posušen intermediat smo kalcinirali v cevni peči na enakih pogojih kot pri melaminu in DCDA (slika 10). V oglati ladjici smo dobili produkt v obliki zlatorumenih lusk, ki smo jih nato rahlo zmleli v terilnici, s čimer smo pridobili končno obliko fotokatalizatorja (slika 9c).

Slika 9: a) = g-C3N4 iz melamina (g-C3N4 M), b) = g-C3N4 iz DCDA (g-C3N4 D), c) = g-C3N4 iz tiosečnine (g-C3N4 T)

21

Slika 10: Cevna peč Eurotherm Carbolite, ki smo jo uporabili pri kalciniranju.

3.2.3 Vrednotenje katalizatorjev

3.2.3.1 UV-VIS difuzna refleksija (UV-VIS DR)

UV-VIS difuzno refleksijo smo uporabili za določanje energije prepovedanega pasu in mejne valovne dolžine svetlobe za prehod e^- iz valenčnega v prevodni pas. Spektre vzorcev smo posneli z UV-VIS spektrofotometrom Perkin-Elmer Lambda 35 (ZDA), na katerega smo namestili nastavek RSA-PE-19M Praying Mantis (ZDA), ki je v rabi za merjenje spektrov difuzne refleksije vodoravno nameščenih praškastih vzorcev (slika 11). Spektrofotometer smo umerili z refleksijskim standardom Spectralon© in nato posneli spektre v območju valovnih dolžin med 250–800 nm.

Slika 11: UV-VIS spektrofotometer Perkin-Elmer Lambda 35.

22 3.2.3.2 Plinska adsorpcija N2

Specifično površino, povprečni volumen por in povprečni premer por katalizatorjev smo določili z meritvami dušikovih adsorpcijskih in desorpcijskih izoterm in pri tem uporabili aparaturo Micromeritics Tristar II 3020 (Micromeritics Instrument Corporation, ZDA) (slika 12). Specifične površine fotokatalizatorjev smo izračunali s pomočjo teorije BET v linearnem območju adsorpcijsko-desorpcijskih izoterm, volumen por in povprečni premer pa smo izračunali s pomočjo metode Barrett-Joyner-Halenda.

Slika 12: Micrometrics Tristar II 3020 s katerim smo izvedli adsorpcijo dušika.

3.2.3.3 Vrstična elektronska mikroskopija (SEM)

Morfološke lastnosti in velikost delcev pripravljenih katalizatorjev g-C3N4 smo opazovali z vrstično elektronsko mikroskopijo. Za ta namen smo uporabili elektronski mikroskop FE-SEM SUPRA 35 VP (Carl Zeiss, Nemčija).

3.2.3.4 Meritev fotoluminiscence (PL)

Meritve fotoluminiscence smo izvajali na fluorescenčnem spektrometru Perkin Elmer LS 55 (ZDA). Meritve na trdnih vzorcih, v območju 350–600 nm, smo izvedli za oceno relativne hitrosti rekombinacije prevodnih elektronov in vrzeli.

3.2.3.5 Rentgenska praškovna difrakcija (XRD)

Rentgenska difrakcija je nedestruktivna metoda za raziskovanje kristalne strukture trdnih kristaliničnih vzorcev. Za merjenje smo uporabili rentgenski difraktometer Malvern Panalytical X‘pert PRO MPD (Malvern, Velika Britanija), s katerim smo posneli difraktogram v območju od 5° do 90°.

3.2.3.6 FTIR

Meritve FTIR smo opravili z aparaturo Perkin-Elmer FTIR Spectrometer Frontier (Perkin- Elmer, ZDA). S pomočjo mikrogramske tehtnice smo natehtali okrog 1 mg katalizatorja in ga