Способ очистки воды от органических соединений с использованием наночастиц на основе оксида олова методом фотокатализа разработали химики Санкт-Петербургского государственного университета, сообщает пресс-служба вуза 10 января на официальном интернет-портале.

В связи с высокими темпами развития промышленности и увеличением объемов сточных вод загрязнение водоемов стало одним из острых экологических проблем современности. Поэтому актуальна разработка новых способов очистки промышленных сбросов, позволяющих очищать воду от таких сложных загрязнителей, как органические красители.

Процесс фотокатализа является одним из наиболее перспективных методов очистки воды. Этот способ очистки использует энергию света для запуска химических реакций разложения органических соединений до углекислого газа и воды в присутствии катализатора — особого материала в форме наночастиц. До сих пор ученые не понимали, что именно определяет эффективность и скорость подобной очистки: размеры частиц или особенности их строения и состава.

Химики СПбГУ нашли ответ на вопрос, предложив системный подход, который позволяет подобрать под определенное вещество-загрязнитель наночастицы для использования в фотокаталитических установках для очистки воды. Разработанные учеными материалы проявляют фотокаталитическую активность под действием света от обычных диодных лампочек, которые дешевле и проще в эксплуатации, чем используемые ранее ультрафиолетовые.

Основной исполнитель проекта, сотрудник кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Анастасия Подурец рассказала, что если раньше материалы для фотокатализаторов подбирались практически наугад, то сегодня этот процесс можно проводить обосновано. По словам Подурец, исследователи предложили 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», — пояснила Подурец.

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

В работе были использовались наночастицы на основе диоксида олова, содержащего 3d-элементы (кобальт, никель, медь). Ученые провели масштабное исследование процессов формирования наночастиц и продуктов фотокаталитического разложения загрязнителей в различных условиях.

Как установили исследователи, для создания эффективного катализатора требуется организовать его синтез таким образом, чтобы сформировалось твердое тело с максимальным количеством кислородных вакансий (дефектов кристаллической решетки, когда в ней отсутствуют отдельные атомы). Именно кислородные вакансии позволяют переносить возникающие пары электрон-дырка на поверхность наночастиц, где они участвуют в разрушении молекул загрязнителя.

Важно, чтобы других дефектов не было слишком много, в противном случае результат будет противоположным. Разработанный подход был доказан на примере антибиотика окситетрациклина и органического красителя метиленового синего.

Так как механизмы разрушения органических молекул схожи с механизмами нейтрализации бактерий, эффективные фотокатализаторы также способны уничтожать бактерии. Ученые продемонстрировали наличие антибактериальной активности синтезированных наночастиц на примере бактерии E. Coli.

По словам исследователей, разработанный метод применим и для других загрязнителей. Для этого необходимо провести специальные расчеты, чтобы понять, как следует изменить параметры наночастиц, исходя из параметров вещества-загрязнителя.