Kemister vid St. Petersburg University har använt stordataanalystekniker för att förutsäga de fotokatalytiska egenskaperna hos zinkoxidnanoskivor, det vill säga ett nanostrukturerat material som består av partiklar i form av tunna ark. Studien syftade till att lösa frågan om avfallsfri nedbrytning av organiska färgämnen, som används flitigt både inom färg- och textilindustrin. Forskningsresultaten och resultaten kan även användas för andra liknande miljöproblem.
Utveckling av nya material är en viktig uppgift för modern vetenskap. Dessa material kan minska skadliga utsläpp till biosfären och minska miljöföroreningarna. Utveckling av nya material är en komplex och arbetskrävande process. Den innehåller flera steg. Varje steg är otroligt tidskrävande och det är troligt att det inte ger det önskade resultatet.
Kemister måste först syntetisera ett material; för det andra, studera dess egenskaper; och slutligen testa det för att se om det nya materialet kan lösa en specifik uppgift. Forskare strävar efter att förenkla och påskynda denna utvecklingsprocess. Ändå måste de först, även innan de syntetiserar ett ämne, förstå vilka egenskaper som ska utvecklas för att göra ämnet mer effektivt för att lösa ett visst problem.
Forskare vid St. Petersburg University har utvecklat en metod för att förutsäga de fotokatalytiska egenskaperna hos zinkoxidnanoark. Tillvägagångssättet öppnar breda möjligheter för utvecklingen av nanomaterial med de egenskaper av intresse som kan användas för att till exempel behandla avloppsvatten från färgämnen. Arbetet publiceras i tidskriften Applied Surface Science .
Forskarna använde zinkoxidnanoskivor som fotokatalysator, det vill säga ett material som kan bryta ned organiska färgämnen under synligt ljus. Zinkoxid är giftfritt och enkelt i sin produktion. Nanostora partiklar har en större yta jämfört med ett vanligt bulkmaterial. Som ett resultat blir färgnedbrytningen snabbare och mer effektiv. Det är övergången till nanoskalan som avslöjar de unika egenskaperna hos många ämnen, inklusive defektrelaterade egenskaper.
"Föreställ dig, du har en färdig Rubiks kub med alla färger korrekt matchade. Föreställ dig nu att inte bara färgerna blandas ihop, utan att vissa delar också saknas. Ändå, hur paradoxalt det än kan låta, är det dessa defekter som förklarar många intressanta egenskaper hos halvledarnanomaterial, inklusive de som gör det möjligt för oss att använda nanoskivor av zinkoxid för att lösa miljöproblem, säger Dmitry Tkachenko, medförfattare till studien, laboratorieassistent och forskare vid institutionen för allmän och oorganisk kemi vid St. Petersburgs universitet.
Studien hade tre steg. Först, syntetisera zinkoxid nanosheets och beskriva deras egenskaper; för det andra, med tanke på processen för färgämnesnedbrytning på molekylär nivå; och, för det tredje, utveckla en modell för att förutsäga fotokatalysatoreffektiviteten.
"För närvarande är det inte klart ännu hur vi kan reglera och bestämma antalet defekter (blandade och saknade färger i Rubiks kub) i nanoobjekt. Men under arbetets gång var det möjligt att inte bara hitta ett sätt att reglera antalet sådana defekter i nanosheets, men också att tillämpa ett originellt tillvägagångssätt för att förutsäga dem", säger Olga Osmolovskaya, chef för gruppen för syntes och studier av nanopartiklar och nanostrukturerade material, docent vid institutionen för Allmän och oorganisk kemi vid St. Petersburg University.
Som ett resultat fick kemisterna vid St. Petersburg University en uppsättning parametrar som beskriver strukturen och egenskaperna hos zinkoxidnanoark.
"Betraktandet av fenomen och processer inom kemi förknippas ofta med ett experiment i laboratoriet, vilket kräver en viss nivå av utrustning och färdigheter. Vi föreslår att använda datorsimulering, som inte kräver speciell och dyr utrustning och har mycket större kapacitet och flexibilitet", förklarade Mikhail Voznesenskiy, författaren till den beräkningsmässiga delen av studien, docent vid institutionen för fysikalisk kemi vid St. Petersburgs universitet.
Som ett resultat, från hela uppsättningen av parametrar, valde forskarna de som hade störst inverkan på fotokatalysatorns aktivitet.
"Därför har vi utvecklat en unik modell för att förutsäga effektiviteten av färgämnesnedbrytning i närvaro av zinkoxidnanoark. Nu kan vilken forskare som helst, utan att utföra ett experiment, ta reda på hur effektiv en fotokatalysator med vissa parametrar kommer att vara. Detta, i tur, öppnar helt nya möjligheter i utvecklingen av nanomaterial med egenskaperna i intresse", förklarade Dmitry Kirsanov, författaren till den kemometriska delen av studien, professor vid institutionen för analytisk kemi vid St. Petersburgs universitet.
Mer information: N.D. Kochnev et al, Reglering och förutsägelse av defektrelaterade egenskaper i ZnO nanosheets:syntes, morfologiska och strukturella parametrar, DFT-studie och QSPR-modellering, Applied Surface Science (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828
Tillhandahålls av St. Petersburg State University
