Хіміки розробили нанолисти цинку для систем очищення води.

Результати дослідження, підтриманого грантом Російського наукового фонду, опубліковані у високорейтинговому науковому журналі першого квартиля Ceramics International.

Органічні сполуки — такі як барвники та антибіотики — належать до токсичних, тому при побутовому використанні їх слід правильно утилізувати, щоб зменшити шкідливий вплив на навколишнє середовище. Для цього сьогодні існують спеціальні сервіси та умови, проте вони не завжди доступні, тому шкідливі речовини регулярно потрапляють у каналізацію зі стічними водами промислових виробництв і тваринницьких господарств.

Як пояснила керівник групи синтезу та дослідження наночастинок і наноструктурованих матеріалів СПбГУ, доцент кафедри загальної та неорганічної хімії СПбГУ Ольга Осмоловська, найбільш перспективний сучасний варіант боротьби з проблемою забруднення вод — фотокаталіз. Це процес, при якому напівпровідникові частинки під дією світла в результаті хімічної реакції руйнують молекули забруднювачів.

Але щоб отримати ефективний фотокаталізатор, необхідно розібратися в особливостях його роботи. Для цього хіміки Санкт-Петербурзького університету синтезували серію наночастинок методом хімічного осадження, а потім досліджували властивості отриманих матеріалів для розуміння істинного механізму їх роботи, що необхідно для застосування цих частинок.

Вченим добре відомо, що властивості наночастинок сильно залежать від їх розміру та форми. У даному випадку це пластинки товщиною близько 20 нанометрів, тому їх називають нанолистами. У рамках дослідження хіміки апробували підхід, при якому, окрім варіювання умов синтезу — основних факторів, що впливають на результат — у реакційну середу внесли речовини, що дають протонні іони, які повинні впорядкувати зароджувані кристали в певному порядку. Саме це, зрештою, і забезпечило отримання частинок у формі нанолистів.

«Для візуалізації результатів достатньо уявити звичайний листок дерева. Він має велику поверхню, на якій утворюються крапельки роси, і саме на ній відбувається контакт із забруднювачами та їх руйнування. Однак у такого листка є товщина і тонка бічна поверхня, роль якої не можна недооцінювати. Ми показали, що саме вона в нанолистах відповідає за утворення радикалів — особливих форм молекул води та розчиненого в ній кисню, що руйнують шкідливі молекули», — розповіла один із авторів дослідження, лаборант-дослідник кафедри загальної та неорганічної хімії СПбГУ Ксенія Мешина.

Відмінною рисою роботи, як пояснив ще один автор, доцент кафедри фізичної хімії СПбГУ Михайло Вознесенський, є проведення квантово-хімічних розрахунків. Така деталізація дозволяє врахувати дефекти кристалічної структури наночастинок і використовувати отримані дані для розуміння процесів адсорбції та фотокаталізу.

Таким чином, розроблені науковою групою хіміків Санкт-Петербурзького університету підходи дозволяють пояснити ефективність фотокаталізатора для кожного конкретного забруднювача. Ще один плюс такого підходу в тому, що оксид цинку, використаний авторами роботи, нетоксичний і має антибактеріальні властивості, а отже, матеріали з нього екологічні та біосумісні.

«Експерименти з розкладання барвників світлом і методи обчислювальної хімії допомогли створити матеріал, що очищує воду від конкретних забруднень більш ніж на 90 відсотків. При цьому важливо розуміти, що універсального і підходящого у всіх випадках фотокаталізатора немає: те, що підходить для однієї речовини, може не працювати для іншої. Тому для ефективного очищення води від заданого забруднювача необхідно точно підібрати параметри фотокаталізатора. Результати нашої роботи дозволяють зробити це значно швидше, скоротивши кількість експериментів за рахунок комп'ютерних розрахунків», — зазначив доцент кафедри загальної та неорганічної хімії СПбГУ Михайло Осмоловський.

Раніше вчені даної наукової групи розробили підхід до синтезу наночастинок магнетиту, покритих оболонкою з оксиду цинку.