Химики разработали нанолисты цинка, предназначенные для очистки воды.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, были опубликованы в высоко оцененном научном журнале первого квартиля Ceramics International.

Органические соединения, такие как красители и антибиотики, являются токсичными, поэтому их следует правильно утилизировать при бытовом использовании, чтобы уменьшить негативное воздействие на окружающую среду. Хотя существуют специальные сервисы и условия для этого, они не всегда доступны, что приводит к регулярному попаданию вредных веществ в канализацию через сточные воды промышленных предприятий и животноводческих ферм.

Как пояснила руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов СПбГУ, доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ольга Осмоловская, наиболее перспективный современный метод борьбы с проблемой водного загрязнения — фотокатализ. Это процесс, при котором полупроводниковые частицы под воздействием света разрушают молекулы загрязнителей в результате химической реакции.

Чтобы создать эффективный фотокатализатор, необходимо разобраться в его рабочих характеристиках. Для этого химики Санкт-Петербургского университета синтезировали серию наночастиц с помощью химического осаждения, а затем исследовали свойства полученных материалов, чтобы понять истинный механизм их действия, что необходимо для их применения.

Ученым известно, что свойства наночастиц зависят от их размера и формы. В данном случае это пластинки толщиной примерно 20 нанометров, поэтому их называют нанолистами. В рамках исследования химики протестировали подход, при котором, помимо изменения условий синтеза — основных факторов, влияющих на результат — в реакционную среду добавляли вещества, создающие противоионы, которые должны упорядочить формирующиеся кристаллы. Это и обеспечило получение частиц в форме нанолистов.

«Для визуализации результатов достаточно представить обычный листик дерева. Он обладает большой поверхностью, на которой образуются капельки росы, и именно на ней происходит контакт с загрязнителями и их разрушение. Однако у такого листика есть толщина и тонкая боковая поверхность, значение которой нельзя недооценивать. Мы показали, что именно она в нанолистах отвечает за образование радикалов — особых форм молекул воды и растворённого в ней кислорода, разрушающих вредные молекулы», — рассказала один из авторов исследования, лаборант-исследователь кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ксения Мешина.

Уникальной особенностью работы, как пояснил еще один автор, доцент кафедры физической химии СПбГУ Михаил Вознесенский, является проведение квантово-химических расчетов. Такая детализация позволяет учитывать дефекты кристаллической структуры наночастиц и использовать полученные данные для понимания процессов адсорбции и фотокатализа.

Таким образом, методы, разработанные научной группой химиков Санкт-Петербургского университета, позволяют объяснить эффективность фотокатализатора для каждого конкретного загрязнителя. Еще одним преимуществом такого подхода является то, что используемый авторами работы оксид цинка нетоксичен и обладает антибактериальными свойствами, что делает материалы из него экологически чистыми и биосовместимыми.

«Эксперименты по разложению красителей под воздействием света и методы вычислительной химии помогли создать материал, который очищает воду от конкретных загрязнений более чем на 90 процентов. Важно понимать, что универсального фотокатализатора, подходящего для всех случаев, не существует: то, что работает для одного вещества, может не подойти для другого. Поэтому для эффективной очистки воды от заданного загрязнителя необходимо точно подбирать параметры фотокатализатора. Результаты нашей работы позволяют значительно ускорить этот процесс, уменьшая количество экспериментов за счет компьютерных расчетов», — отметил доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Михаил Осмоловский.

Ранее ученые этой научной группы разработали подход к синтезу наночастиц магнетита с оболочкой из оксида цинка.