I chimici dell’Università di San Pietroburgo hanno utilizzato tecniche di analisi dei big data per prevedere le proprietà fotocatalitiche dei nanofogli di ossido di zinco, ovvero un materiale nanostrutturato costituito da particelle sotto forma di fogli sottili. Lo studio mirava a risolvere il problema della degradazione senza rifiuti dei coloranti organici, ampiamente utilizzati sia nell'industria delle vernici che in quella tessile. I risultati e gli esiti della ricerca possono essere applicati anche ad altri problemi ambientali simili.
Lo sviluppo di nuovi materiali è un compito essenziale della scienza moderna. Questi materiali possono ridurre le emissioni nocive nella biosfera e diminuire l’inquinamento ambientale. Lo sviluppo di nuovi materiali è un processo complesso e ad alta intensità di manodopera. Comprende diverse fasi. Ogni fase richiede incredibilmente tempo ed è probabile che non fornisca il risultato desiderato.
I chimici devono, innanzitutto, sintetizzare un materiale; secondo, studiarne le proprietà; e, infine, testarlo per vedere se il nuovo materiale può risolvere un compito specifico. Gli scienziati mirano a semplificare e accelerare questo processo di sviluppo. Tuttavia devono prima capire, prima ancora di sintetizzare una sostanza, quali proprietà sviluppare per rendere la sostanza più efficace per risolvere un particolare problema.
Gli scienziati dell'Università di San Pietroburgo hanno sviluppato un approccio per prevedere le proprietà fotocatalitiche dei nanofogli di ossido di zinco. L’approccio apre ampie prospettive per lo sviluppo di nanomateriali con proprietà di interesse che possono essere utilizzati, ad esempio, per trattare le acque reflue dei coloranti. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Applied Surface Science .
I ricercatori hanno utilizzato nanofogli di ossido di zinco come fotocatalizzatore, ovvero un materiale capace di degradare i coloranti organici sotto la luce visibile. L'ossido di zinco è atossico e semplice nella sua produzione. Le nanoparticelle hanno una superficie maggiore rispetto a un normale materiale sfuso. Di conseguenza, la degradazione del colorante è più rapida ed efficiente. È la transizione alla nanoscala che rivela le proprietà uniche di molte sostanze, comprese le proprietà legate ai difetti.
"Immagina di avere un cubo di Rubik completo con tutti i colori correttamente abbinati. Ora immagina che non solo i colori siano mescolati, ma che manchino anche alcune parti. Eppure, non importa quanto possa sembrare paradossale, sono questi difetti che spiegano molte proprietà interessanti dei nanomateriali semiconduttori, comprese quelle che ci consentono di utilizzare nanofogli di ossido di zinco per risolvere problemi ambientali", ha affermato Dmitry Tkachenko, coautore dello studio, assistente di laboratorio e ricercatore presso il Dipartimento di Chimica Generale e Inorganica dell'Università di San Pietroburgo. .Università di Pietroburgo.
Lo studio ha avuto tre fasi. Innanzitutto, sintetizzando nanofogli di ossido di zinco e descrivendone le proprietà; in secondo luogo, considerando il processo di degradazione del colorante a livello molecolare; e, in terzo luogo, sviluppare un modello per prevedere l'efficienza del fotocatalizzatore.
"Al momento non è ancora chiaro come possiamo regolare e determinare il numero di difetti (colori mescolati e mancanti nel cubo di Rubik) nei nanooggetti. Tuttavia, nel corso del lavoro, è stato possibile non solo trovare un modo per regolare il numero di tali difetti nei nanofogli, ma anche applicare un approccio originale per prevederli", ha affermato Olga Osmolovskaya, capo del gruppo per la sintesi e lo studio delle nanoparticelle e dei materiali nanostrutturati, professore associato presso il Dipartimento di Scienze Chimica generale e inorganica all'Università di San Pietroburgo.
Di conseguenza, i chimici dell'Università di San Pietroburgo hanno ottenuto una serie di parametri che descrivono la struttura e le proprietà dei nanofogli di ossido di zinco.
"La considerazione dei fenomeni e dei processi in chimica è spesso associata a un esperimento in laboratorio, che richiede un certo livello di attrezzature e competenze. Proponiamo di utilizzare la simulazione al computer, che non richiede attrezzature speciali e costose e ha capacità e capacità molto maggiori flessibilità", ha spiegato Mikhail Voznesenskiy, autore della parte computazionale dello studio, professore associato presso il Dipartimento di Chimica Fisica dell'Università di San Pietroburgo.
Di conseguenza, dall'intero insieme di parametri, gli scienziati hanno selezionato quelli che avevano il maggiore impatto sull'attività del fotocatalizzatore.
"Pertanto, abbiamo sviluppato un modello unico per prevedere l'efficienza della degradazione del colorante in presenza di nanofogli di ossido di zinco. Ora, qualsiasi scienziato, senza condurre un esperimento, può scoprire quanto sarà efficace un fotocatalizzatore con determinati parametri. Questo, in a sua volta, apre opportunità completamente nuove nello sviluppo di nanomateriali con le proprietà interessate", ha spiegato Dmitry Kirsanov, autore della parte chemiometrica dello studio, professore presso il Dipartimento di Chimica Analitica dell'Università di San Pietroburgo.
Ulteriori informazioni: ND Kochnev et al, Regolazione e previsione delle proprietà correlate ai difetti nei nanofogli di ZnO:sintesi, parametri morfologici e strutturali, studio DFT e modellazione QSPR, Scienza applicata delle superfici (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828
Fornito dall'Università statale di San Pietroburgo
