Ученые Санкт-Петербургского государственного университета 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 высокорейтинговом научном журнале первого квартиля Ceramics International.
Наночастицы оксида цинка (в эппендорфе), на врезке СЭМ-изображение этих наночастиц. Фото предоставлено Михаилом Вознесенским
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.
Как объяснила руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов СПбГУ, доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ольга Осмоловская, 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.
Но чтобы получить эффективный фотокатализатор, необходимо разобраться в особенностях его работы. Для этого химики Санкт-Петербургского университета синтезировали серию наночастиц методом химического осаждения, а затем исследовали свойства полученных материалов для понимания истинного механизма их работы, что необходимо для применения этих частиц.
Ученым хорошо известно, что свойства наночастиц сильно зависят от их размера и формы. В данном случае это пластинки толщиной около 20 нанометров, поэтому их называют нанолистами. В рамках исследования химики апробировали подход, при котором 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 происходят 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 один из авторов исследования, лаборант‑исследователь кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ксения Мешина.
Отличительной чертой работы, как пояснил еще один автор, доцент кафедры физической химии СПбГУ Михаил Вознесенский, является 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 научной группой химиков Санкт‑Петербургского университета подходы позволяют объяснять эффективность фотокатализатора для каждого конкретного загрязнителя. Еще один плюс такого подхода 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.
Ранее ученые данной научной группы разработали подход к синтезу наночастиц магнетита, покрытых оболочкой из оксида цинка.
Справка
Междисциплинарное исследование, включившее в себя методы физической, неорганической, вычислительной, аналитической химии и материаловедения, проводилось на базе Научного парка СПбГУ. Так, в работе использовалась инфраструктура ресурсных центров «Рентгенодифракционные методы исследования», «Инновационные технологии композитных наноматериалов», «Методы анализа состава вещества», «Вычислительный центр», «Оптические и лазерные методы исследования», «Физические методы исследования поверхности», «Криогенный отдел» и междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии».
Научный проект, в рамках которого выполнено данное исследование, поддержан грантом Российского научного фонда.
Источник информации и фото: пресс-служба СПбГУ
