В СПбГУ создали нанолисты ZnO для очистки воды от токсичных загрязнителей
Способ получения наночастиц оксида цинка в форме нанолистов, перспективных в качестве фотокатализаторов процесса удаления токсичных органических соединений, таких как красители или антибиотики, из сточных вод разработали ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), 5 декабря сообщает пресс-служба вуза.
Органические красители и антибиотики являются токсичными веществами, и при применении в быту их следует правильно утилизировать для снижения вредного воздействия на окружающую среду. Однако существующие для этого специальные сервисы не всем доступны, и эти вредные вещества часто сливаются в канализацию.
Руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов СПбГУ, доцент кафедры общей и неорганической химии университета Ольга Осмоловская рассказала, что в настоящее время наиболее перспективным методом очистки загрязненных вод является фотокатализ, когда в результате химической реакции под действием света специальные полупроводниковые частицы разрушают молекулы загрязнителей.
При поиске веществ, перспективных для эффективного фотокатализа, ученые должны понимать особенности их работы. Известно, что свойства наночастиц во многом определяются их размером и формой. Химики СПбГУ синтезировали методом химического осаждения серию наночастиц в виде нанолистов оксида цинка (ZnO) — пластинок толщиной около 20 нанометров, и изучили их свойства.
Выбор для исследования в качестве фотокатализатора оксида цинка был обусловлен его нетоксичностью и антибактериальными свойствами. Соответственно, материалы из него экологичны и биосовместимы.
Учеными был исследован подход, когда, кроме варьирования условий синтеза (основных факторов, влияющих на результат), в реакционную среду вносились вещества, дающие противоионы, что способствовало росту зарождающихся кристаллов в определенном порядке. Это позволило им получить частицы ZnO в форме нанолистов.
Одна из участников исследования, лаборант-исследователь кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ксения Мешина пояснила выбор этой формы наночастиц:
«Для визуализации результатов достаточно представить обычный листик дерева. Он имеет большую поверхность, на которой образуются капельки росы, и именно на ней происходит контакт с загрязнителями и их разрушение. Однако у такого листика есть толщина и тоненькая боковая поверхность, роль которой нельзя недооценивать. Мы показали, что именно она в нанолистах отвечает за образование радикалов — особых форм молекул воды и растворенного в ней кислорода, разрушающих вредные молекулы».
Доцент кафедры физической химии СПбГУ Михаил Вознесенский рассказал, что важной частью исследования стало проведение квантово химических расчетов. Они дали возможность учесть дефекты кристаллической структуры наночастиц, а полученные в результате данные позволили понять происходящие процессы адсорбции и фотокатализа.
Подходы, которые в процессе проведенного исследования разработали химики СПбГУ, позволили понять, что обеспечивает эффективность фотокатализатора для каждого конкретного загрязнителя.
Междисциплинарное исследование, включившее в себя методы физической, неорганической, вычислительной, аналитической химии и материаловедения, проводилось на базе Научного парка СПбГУ.
Результаты исследования были представлены в статье «Понимание роли поверхности нанолистов ZnO в фотокаталитическом разложении красителя: ключ к эффективной очистке сточных вод» (Understanding the role of ZnO nanosheet surface in photocatalytic dye degradation: The key to effective wastewater treatment), опубликованной в журнале первого квартиля Ceramics International.
«Эксперименты по разложению красителей светом и методы вычислительной химии помогли создать материал, очищающий воду от конкретных загрязнений более чем на 90%. При этом важно понимать, что универсального и подходящего во всех случаях фотокатализатора нет: то, что подходит для одного вещества, может не работать для другого. Поэтому для эффективной очистки воды от заданного загрязнителя необходим точный подбор параметров фотокатализатора. Результаты нашей работы позволяют сделать это значительно быстрее, сократив число экспериментов за счет компьютерных расчетов» — отметил доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Михаил Осмоловский.
