Российские ученые разработали способ получения наночастиц оксида цинка особой формы — нанолистов, которые могут использоваться в системах очистки воды для удаления токсичных органических соединений, например красителей или антибиотиков. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Ceramics International, сообщает пресс-служба Санкт-Петербургского государственного университета.
Органические соединения, такие как красители и антибиотики, относятся к числу токсичных, поэтому при бытовом применении должны быть правильно утилизированы, чтобы снизить вредное воздействие на окружающую среду. Для этого сегодня существуют специальные сервисы и условия, однако они не всем доступны, поэтому вредные вещества регулярно попадают в канализацию со сточными водами промышленных производств и животноводческих хозяйств.
Наиболее перспективный современный вариант борьбы с проблемой загрязнения вод — фотокатализ. Это процесс, при котором полупроводниковые частицы под действием света в результате химической реакции разрушают молекулы загрязнителей.
Чтобы получить эффективный фотокатализатор для разложения токсичных соединений, российские химики синтезировали методом химического осаждения серию наночастиц оксида цинка в виде пластинок толщиной около 20 нанометров. Затем они исследовали свойства полученных материалов для понимания механизма их работы, что необходимо для применения этих частиц.
Химики апробировали новый подход: при нем, помимо варьирования условий синтеза — основных факторов, влияющих на результат, — в реакционную среду внесли вещества, дающие противоионы, которые должны выстроить зарождающиеся кристаллы в определенном порядке. Именно это в итоге и обеспечило получение частиц в форме нанолистов.
«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», — рассказала одна из авторов исследования, лаборант-исследователь кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ксения Мешина.
Отличительная чертой работы — проведение квантово-химических расчетов. Такая детализация позволяет учесть дефекты кристаллической структуры наночастиц и использовать полученные данные для понимания процессов адсорбции и фотокатализа.
Таким образом, разработанные подходы позволяют объяснять эффективность фотокатализатора для каждого конкретного загрязнителя. Еще один плюс такого подхода заключается в том, что используемый авторами работы оксид цинка нетоксичен и обладает антибактериальными свойствами, а значит, материалы из него экологичны и биосовместимы.
«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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
