Chemici van de Universiteit van St. Petersburg hebben big data-analysetechnieken gebruikt om de fotokatalytische eigenschappen van zinkoxide-nanoplaten te voorspellen, dat wil zeggen een nanogestructureerd materiaal dat bestaat uit deeltjes in de vorm van dunne platen. Het onderzoek had tot doel het probleem van de afvalvrije afbraak van organische kleurstoffen op te lossen, die veel worden gebruikt in zowel de verf- als de textielindustrie. De onderzoeksresultaten en uitkomsten kunnen ook worden toegepast voor andere soortgelijke milieuproblemen.

De ontwikkeling van nieuwe materialen is een essentiële taak van de moderne wetenschap. Deze materialen kunnen de schadelijke uitstoot in de biosfeer verminderen en de milieuvervuiling verminderen. De ontwikkeling van nieuwe materialen is een complex en arbeidsintensief proces. Het omvat verschillende fasen. Elke fase is ongelooflijk tijdrovend en de kans is groot dat deze niet het gewenste resultaat oplevert.

Chemici moeten eerst een materiaal synthetiseren; ten tweede, bestudeer de eigenschappen ervan; en ten slotte test je het om te zien of het nieuwe materiaal een specifieke taak kan oplossen. Wetenschappers willen dit ontwikkelingsproces vereenvoudigen en versnellen. Toch moeten ze eerst, nog voordat ze een stof synthetiseren, begrijpen welke eigenschappen ze moeten ontwikkelen om de stof effectiever te maken voor het oplossen van een bepaald probleem.

Wetenschappers van de Universiteit van St. Petersburg hebben een aanpak ontwikkeld voor het voorspellen van de fotokatalytische eigenschappen van zinkoxide-nanosheets. De aanpak opent brede perspectieven voor de ontwikkeling van nanomaterialen met interessante eigenschappen die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om afvalwater met kleurstoffen te behandelen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Surface Science .

De onderzoekers gebruikten zinkoxide-nanosheets als fotokatalysator, d.w.z. een materiaal dat organische kleurstoffen onder zichtbaar licht kan afbreken. Zinkoxide is niet giftig en eenvoudig te produceren. Nanodeeltjes hebben een groter oppervlak vergeleken met een gebruikelijk bulkmateriaal. Als gevolg hiervan is de afbraak van kleurstof sneller en efficiënter. Het is de overgang naar de nanoschaal die de unieke eigenschappen van veel stoffen onthult, inclusief defectgerelateerde eigenschappen.

"Stel je voor dat je een voltooide Rubiks kubus hebt waarvan alle kleuren correct bij elkaar passen. Stel je nu voor dat niet alleen de kleuren door elkaar zijn, maar dat sommige delen ook ontbreken. Maar hoe paradoxaal het ook mag klinken, het zijn deze defecten die de verklaring vormen veel interessante eigenschappen van halfgeleider nanomaterialen, waaronder de eigenschappen die ons in staat stellen zinkoxide nanosheets te gebruiken om milieuproblemen op te lossen”, zegt Dmitry Tkachenko, co-auteur van de studie, laboratoriumassistent en onderzoeker bij de afdeling Algemene en Anorganische Chemie van St. .Petersburg Universiteit.

Het onderzoek kende drie fasen. Ten eerste:het synthetiseren van zinkoxide-nanosheets en het beschrijven van hun eigenschappen; ten tweede, rekening houdend met het proces van kleurstofafbraak op moleculair niveau; en, ten derde, het ontwikkelen van een model voor het voorspellen van de efficiëntie van de fotokatalysator.

"Op dit moment is het nog niet duidelijk hoe we het aantal defecten (gemengde en ontbrekende kleuren in de Rubiks kubus) in nano-objecten kunnen reguleren en bepalen. In de loop van het werk was het echter niet alleen mogelijk om een manier vinden om het aantal van dergelijke defecten in nanosheets te reguleren, maar ook om een ​​originele aanpak toe te passen om ze te voorspellen”, zegt Olga Osmolovskaya, hoofd van de groep voor de synthese en studie van nanodeeltjes en nanogestructureerde materialen, universitair hoofddocent bij de afdeling Algemene en anorganische chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.

Als gevolg hiervan hebben de scheikundigen van de Universiteit van St. Petersburg een reeks parameters verkregen die de structuur en eigenschappen van zinkoxide-nanosheets beschrijven.

"De beschouwing van verschijnselen en processen in de scheikunde wordt vaak geassocieerd met een experiment in het laboratorium, waarvoor een bepaald niveau van apparatuur en vaardigheden vereist is. We stellen voor om computersimulatie te gebruiken, waarvoor geen speciale en dure apparatuur nodig is en die veel grotere mogelijkheden en mogelijkheden heeft." flexibiliteit", legt Mikhail Voznesenskiy uit, de auteur van het computationele deel van het onderzoek en universitair hoofddocent bij de afdeling Fysische Chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.

Als gevolg daarvan selecteerden de wetenschappers uit de hele reeks parameters de parameters die de grootste impact hadden op de activiteit van de fotokatalysator.

“Zo hebben we een uniek model ontwikkeld om de efficiëntie van de afbraak van kleurstoffen in de aanwezigheid van zinkoxide-nanosheets te voorspellen. Nu kan elke wetenschapper, zonder een experiment uit te voeren, ontdekken hoe effectief een fotokatalysator met bepaalde parameters zal zijn. op zijn beurt opent volledig nieuwe mogelijkheden in de ontwikkeling van nanomaterialen met de eigenschappen die van belang zijn", legt Dmitry Kirsanov uit, de auteur van het chemometrische deel van de studie, professor aan de afdeling Analytische Chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.

Meer informatie: N.D. Kochnev et al, Regulatie en voorspelling van defectgerelateerde eigenschappen in ZnO-nanosheets:synthese, morfologische en structurele parameters, DFT-onderzoek en QSPR-modellering, Applied Surface Science (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828

Aangeboden door St. Petersburg State University