Химики Санкт-Петербургского государственного университета разработали метод очистки воды от органических соединений с использованием наночастиц на основе оксида олова методом фотокатализа.

Загрязнение воды — одна из острых экологических проблем современности. Из-за высоких темпов развития промышленности и увеличения объемов сточных вод ухудшается экология водных объектов, поэтому ученые активно работают над разработкой новых способов очистки промышленных сбросов, которые позволяли бы быстро и без лишних отходов очищать воду от таких сложных загрязнителей как органические красители.

Одним из наиболее перспективных методов очистки воды считается фотокатализ — процесс, при котором энергия света используется для запуска химических реакций разложения органических соединений до углекислого газа и воды, благодаря присутствию катализатора — особого материала в форме наночастиц. До сих пор отсутствовало понимание, что именно определяет эффективность и скорость такой очистки — размеры частиц, особенности их строения и состава, ученые СПбГУ нашли ответ на этот вопрос.

Химики СПбГУ предложили системный подход, позволяющий подобрать под определенное вещество-загрязнитель наночастицы для использования в фотокаталитических установках для очистки воды. Разработанные материалы проявляют фотокаталитическую активность под действием видимого света от обычных диодных лампочек, которые по всем параметрам дешевле и проще в эксплуатации, чем используемые ранее ультрафиолетовые.

Схематичная иллюстрация подхода к разработке материала с фотокаталической активностью против органических загрязнителей и бактерий / ©Пресс-служба СПбГУ

«Мы предлагаем принципиально новый подход, который можно сравнить с системой дорожной навигации. Так, при выборе маршрута до пункта назначения можно пользоваться обычной бумажной картой, самостоятельно прокладывать маршрут в режиме реального времени, ориентируясь на дорожные знаки и обстановку. Мы же предлагаем алгоритм, похожий на современные системы навигации, которые для любой желаемой точки назначения обрабатывают несколько вариантов маршрута, проводят анализ текущей дорожной ситуации и выбирают кратчайших путь. Если раньше материалы для фотокатализаторов подбирались практически наугад, то сегодня этот процесс становится продуманным и обоснованным», — рассказала основной исполнитель проекта, молодой ученый кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Анастасия Подурец.

В работе были использованы наночастицы на основе диоксида олова, содержащего 3D-элементы (кобальт, никель, медь). Научная группа синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов провела масштабное исследование процессов формирования наночастиц и продуктов фотокаталитического разложения загрязнителей в различных условиях.

Ученые выяснили, что для создания эффективного катализатора необходимо организовать его синтез таким образом, чтобы сформировалось твердое тело с максимальным количеством кислородных вакансий — дефектов кристаллической решетки, когда в ней отсутствуют отдельные атомы. Именно вакансии и позволяют переносить возникающие пары электрон-дырка на поверхность наночастиц, где они играют основную роль в разрушении молекул загрязнителя. При этом важно, чтобы других дефектов не было слишком много, иначе результат будет противоположным. Разработанный подход был доказан на примере широко используемых органического красителя метиленового синего и антибиотика окситетрациклина.

Помимо фотокатализа, ученые продемонстрировали наличие антибактериальной активности синтезированных наночастиц на примере бактерии E.Coli. Поскольку механизмы разрушения органических молекул похожи на механизмы нейтрализации бактерий, эффективные фотокатализаторы также способны уничтожать соответствующие бактерии.

По словам ученых, метод применим и для других загрязнителей: необходимо лишь провести специальные расчеты для понимания, как изменить параметры наночастиц, исходя из вещества-загрязнителя.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds. Исследования методов очистки воды с помощью наночастиц представлены также в научных журналах Materials Chemistry and Physics и Journal of Hazardous Materials.

Работы проводились в рамках проекта, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований «Разработка подходов к компьютерному моделированию процессов роста наночастиц из растворов: теоретическое и экспериментальное исследование на примере диоксида олова — материала с фотокаталитической активностью». Результаты проведенного исследования будут также представлены в рамках защиты диссертации «Взаимосвязь «условия синтеза — морфологические и структурные параметры — фотокаталитические свойства» в допированных ионами 3D-элементов наночастицах диоксида олова».

В рамках работы ученые использовали оборудование ресурсных центров «Инновационные технологии композитных материалов», «Культивирование микроорганизмов», «Методы анализа состава и вещества», «Нанотехнологии», «Вычислительный центр», «Оптические и лазерные методы исследования», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ.