Химики СПбГУ создали нанолисты цинка для систем очистки воды

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.

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

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 происходит 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.

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.

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. Санкт Петербургский университет является лидером по количеству грантов РНФ: в 2022 году ученые СПбГУ получили 112 грантов — это 5,5 % от общего числа победивших проектов и наибольшее число грантов для одной организации. В 2023 году Университет сохранил лидерство по данному конкурсу РНФ: ученые СПбГУ получили 70 грантов, это 5 % от общего числа победивших проектов. А в ноябре текущего года специалисты Санкт‑Петербургского государственного университета на базе МРЦ по направлению «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ создали поздравительную надпись в честь 10‑летнего юбилея Российского научного фонда на значке Университета.

«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.

Санкт‑Петербургский государственный университет — старейший университет России — был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт‑Петербургский университет отмечает свой 300‑летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300‑летия СПбГУ, которое провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Николаевич Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. В честь 300‑летия Санкт‑Петербургского государственного университета в почтовое обращение вышла марка, на которой изображены здание Двенадцати коллегий и памятник графу С. С. Уварову. Также с космодрома Байконур была запущена ракета «Союз» с символикой Университета.

По решению губернатора Санкт‑Петербурга Александра Дмитриевича Беглова 2024 год в Северной столице объявлен годом Санкт‑Петербургского университета. В день 300‑летия СПбГУ на Ростральных колоннах зажгли факелы. Дворцовый мост украсили флаги Университета, а общественный транспорт — его символика. В мае 2024 года Университет впервые принял участие в праздновании Дня города и стал отдельной площадкой для мероприятий. Также СПбГУ запустил сайт, посвященный юбилею, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях празднования.