Chemiker der Universität St. Petersburg haben mithilfe von Big-Data-Analysetechniken die photokatalytischen Eigenschaften von Zinkoxid-Nanoblättern vorhergesagt, also einem nanostrukturierten Material, das aus Partikeln in Form dünner Schichten besteht. Ziel der Studie war es, das Problem des abfallfreien Abbaus organischer Farbstoffe zu lösen, die sowohl in der Farben- als auch in der Textilindustrie weit verbreitet sind. Die Forschungsergebnisse und -ergebnisse können auch auf andere ähnliche Umweltprobleme angewendet werden.
Die Entwicklung neuer Materialien ist eine wesentliche Aufgabe der modernen Wissenschaft. Diese Materialien können schädliche Emissionen in die Biosphäre reduzieren und die Umweltbelastung verringern. Die Entwicklung neuer Materialien ist ein komplexer und arbeitsintensiver Prozess. Es umfasst mehrere Phasen. Jede Phase ist unglaublich zeitaufwändig und es besteht die Möglichkeit, dass sie nicht das gewünschte Ergebnis liefert.
Chemiker müssen zunächst ein Material synthetisieren; zweitens, studieren Sie seine Eigenschaften; und schließlich testen, ob das neue Material eine bestimmte Aufgabe lösen kann. Wissenschaftler wollen diesen Entwicklungsprozess vereinfachen und beschleunigen. Doch schon bevor sie einen Stoff synthetisieren, müssen sie verstehen, welche Eigenschaften sie entwickeln müssen, um den Stoff für die Lösung eines bestimmten Problems wirksamer zu machen.
Wissenschaftler der Universität St. Petersburg haben einen Ansatz zur Vorhersage der photokatalytischen Eigenschaften von Zinkoxid-Nanoblättern entwickelt. Der Ansatz eröffnet breite Perspektiven für die Entwicklung von Nanomaterialien mit den interessanten Eigenschaften, die beispielsweise zur Behandlung von Abwasser aus Farbstoffen eingesetzt werden können. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Oberflächenwissenschaft.
Als Photokatalysator verwendeten die Forscher Zinkoxid-Nanoblätter, also ein Material, das organische Farbstoffe unter sichtbarem Licht abbauen kann. Zinkoxid ist ungiftig und einfach herzustellen. Nanopartikel haben eine größere Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichem Schüttgut. Dadurch erfolgt der Farbstoffabbau schneller und effizienter. Erst der Übergang in die Nanoskala offenbart die einzigartigen Eigenschaften vieler Stoffe, darunter auch defektbedingte Eigenschaften.
„Stellen Sie sich vor, Sie haben einen fertigen Zauberwürfel, bei dem alle Farben korrekt aufeinander abgestimmt sind. Stellen Sie sich nun vor, dass nicht nur die Farben verwechselt sind, sondern auch einige Teile fehlen. Doch so paradox es auch klingen mag, es sind diese Mängel, die es erklären.“ „Viele interessante Eigenschaften von Halbleiter-Nanomaterialien, einschließlich solcher, die es uns ermöglichen, Zinkoxid-Nanoblätter zur Lösung von Umweltproblemen zu verwenden“, sagte Dmitry Tkachenko, Mitautor der Studie, Laborassistent und Forscher in der Abteilung für Allgemeine und Anorganische Chemie am St . Universität Petersburg.
Die Studie gliederte sich in drei Phasen. Erstens: Synthese von Zinkoxid-Nanoblättern und Beschreibung ihrer Eigenschaften; zweitens, Betrachtung des Prozesses des Farbstoffabbaus auf molekularer Ebene; und drittens die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Photokatalysatoreffizienz.
„Im Moment ist es noch nicht klar, wie wir die Anzahl der Defekte (vermischte und fehlende Farben im Zauberwürfel) in Nanoobjekten regulieren und bestimmen können. Im Laufe der Arbeit gelang es jedoch nicht nur „Wir müssen einen Weg finden, die Anzahl solcher Defekte in Nanoblättern zu regulieren, aber auch einen originellen Ansatz anwenden, um sie vorherzusagen“, sagte Olga Osmolovskaya, Leiterin der Gruppe für die Synthese und Untersuchung von Nanopartikeln und nanostrukturierten Materialien, außerordentliche Professorin in der Abteilung für Allgemeine und Anorganische Chemie an der Universität St. Petersburg.
Als Ergebnis erhielten die Chemiker der Universität St. Petersburg eine Reihe von Parametern, die die Struktur und Eigenschaften von Zinkoxid-Nanoblättern beschreiben.
„Die Betrachtung von Phänomenen und Prozessen in der Chemie ist oft mit einem Experiment im Labor verbunden, das ein gewisses Maß an Ausrüstung und Fähigkeiten erfordert. Wir schlagen vor, Computersimulationen zu verwenden, die keine spezielle und teure Ausrüstung erfordern und über viel größere Fähigkeiten verfügen Flexibilität“, erklärte Mikhail Voznesenskiy, der Autor des rechnerischen Teils der Studie und außerordentlicher Professor am Institut für Physikalische Chemie der Universität St. Petersburg.
Als Ergebnis wählten die Wissenschaftler aus dem gesamten Parametersatz diejenigen aus, die den größten Einfluss auf die Aktivität des Photokatalysators hatten.
„Daher haben wir ein einzigartiges Modell entwickelt, um die Effizienz des Farbstoffabbaus in Gegenwart von Zinkoxid-Nanoblättern vorherzusagen. Jetzt kann jeder Wissenschaftler, ohne ein Experiment durchzuführen, herausfinden, wie effektiv ein Photokatalysator mit bestimmten Parametern sein wird. Dies, in wiederum eröffnet völlig neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Nanomaterialien mit den interessierenden Eigenschaften“, erklärte Dmitry Kirsanov, Autor des chemometrischen Teils der Studie und Professor am Institut für Analytische Chemie der Universität St. Petersburg.
Mehr Informationen:
ND Kochnev et al., Regulierung und Vorhersage defektbezogener Eigenschaften in ZnO-Nanoblättern: Synthese, morphologische und strukturelle Parameter, DFT-Studie und QSPR-Modellierung, Angewandte Oberflächenwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156828