Измельчённый древесный биоуголь способен переводить растворённые в воде токсичные ионы серебра в менее опасные наночастицы, но реакция запускается только в узком слабощелочном диапазоне и зависит от растворённого кислорода. К такому выводу пришли Шиго Гу, Даньдань Ван, Тунтун Ван и Вэй Чжу, опубликовавшие 26 августа 2026 года исследование в журнале Biochar.
Промышленность активно использует серебро за его антимикробные свойства и электропроводность, однако в сточных водах металл становится токсичным и легко мигрирует в экосистемы. Ранее учёные выяснили, что растения поглощают ионы серебра в 67–87 раз быстрее, чем наночастицы, а сами ионы сильнее поражают клетки человеческой печени. Чтобы проверить, как перевести металл в более безопасную форму, авторы измельчили в шаровой мельнице древесный биоуголь до частиц размером менее 100 нанометров. Они подготовили два образца: nano400 – из угля, полученного пиролизом при 400 градусах Цельсия, и nano700 – при 700 градусах.
Нанобиоуголь смешали с раствором нитрата серебра концентрацией 0,5 миллимоль на литр и меняли pH среды от 6,5 до 10. В кислой и нейтральной воде при pH 6,5–7,5 наночастицы не образовывались вовсе: из-за протонирования поверхность угля теряла активные центры и не могла отдавать электроны. Реакция шла только в слабощелочной среде при pH 8,5–9,5, а наибольший выход получили при pH 9,5. При этом низкотемпературный образец nano400 восстанавливал серебро примерно в 2,5 раза быстрее, чем nano700. Спектроскопия и титрование объяснили разницу: высокотемпературный уголь содержал больше графеноподобных углеродных структур, тогда как nano400 сохранил в 2,66 раза больше фенольных гидроксильных групп (3,01 против 1,13 миллимоль на грамм). Благодаря более высокому по модулю дзета-потенциалу частицы nano400 лучше держались во взвеси и сильнее притягивали положительно заряженные ионы серебра.
Ключевую роль в реакции сыграли не сами фенольные группы, а супероксид-радикалы, выяснили исследователи с помощью электронного парамагнитного резонанса и молекулярных зондов. При pH 9,5 образец nano400 генерировал в 1,56 раза больше супероксида, чем nano700, что совпало с разницей в их общей электронодонорной способности. Когда из раствора удалили кислород с помощью азота или добавили фермент супероксиддисмутазу, блокирующий супероксид, наночастицы серебра перестали образовываться. Авторы описали процесс как каталитический цикл: свободные радикалы на поверхности угля с восстановительным потенциалом от минус 0,36 до минус 0,49 вольта передают электроны растворённому кислороду (его потенциал составляет минус 0,28 вольта), превращая его в супероксид, который затем восстанавливает адсорбированные ионы серебра.
На ход реакции влияла и концентрация угля: умеренные дозы ускоряли процесс, а избыток подавлял его – для nano400 порог проходил выше 10 миллиграммов на литр, для nano700 – выше 20 миллиграммов. По мнению авторов, если внести слишком много угля, супероксид начинает расходовать сам себя, распадаясь на перекись водорода, синглетный кислород и гидроксильные радикалы, а число доступных участков на границе фаз сокращается. В оптимальных условиях за 10 минут образовывались хорошо рассеянные почти сферические поликристаллические наночастицы серебра размером от 5,88 до 23,53 нанометра, а цвет взвеси менялся с бледно-жёлтого на тёмно-жёлтый. В контрольных опытах без биоугля частицы не появлялись.
Исследователи подчёркивают, что работа пока даёт лишь теоретическую основу, чтобы очищать сточные воды. Все опыты ставили в сверхчистой воде, тогда как реальные стоки содержат конкурирующие ионы, высокую ионную силу и нестабильный уровень растворённого кислорода, которые могут помешать реакции. Кроме того, специалистам ещё предстоит проверить, можно ли использовать нанобиоуголь многократно, как долго сохраняются полученные частицы и насколько они безопасны для водных организмов после того, как отделятся от угля.