КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-23-00408

НазваниеНаправленное конструирование высокоэффективных фотокатализаторов на основе диоксида олова для очистки сточных вод путем управления процессами ориентационного присоединения

РуководительВознесенский Михаил Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словадиоксид олова, наночастицы, фотокатализ, ориентированное присоединение, фотодеградация

Код ГРНТИ31.15.19

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку подхода к синтезу высокоэффективных фотокатализаторов на основе наночастиц диоксида олова, в частности для очистки сточных вод от различных органических загрязнителей. Для синтеза наночастиц в гидротермальных условиях будет инициирован процесс ориентированного присоединения первичных блоков с различными структурными параметрами и составом поверхности, полученных методом осаждения. В результате будут получены наночастицы, отличающиеся своими морфологическими и структурными параметрами, обладающие различным количеством дефектов, в том числе кислородных вакансий, и, как следствие, обладающие различной фотокаталитической активностью. Полученные наночастицы будут охарактеризованы широким набором физико-химических методом, будут проведены исследования их фотокаталитической активности для разложения органических красителей и антибиотиков. Научная проблема, на решение которой направлен представляемый проект связана с выяснением ключевых особенностей процесса ориентированного присоединения, разработкой алгоритмов получения наночастиц с заданными морфологическими и структурными свойствами и в выявлении связи фотокаталитической активности наночастиц против загрязнителей различной природы с особенностями их строения Актуальность проекта связана с необходимостью создания отечественных систем эффективной очистки сточных вод от органических соединений, таких как красители и антибиотики. Научная новизна предлагаемого проекта заключается в возможности регулирования параметров, в том числе количество дефектов и кислородных вакансий, наночастиц диоксида олова в ходе их роста по механизму ориентированного присоединения, а также в тщательном изучении взаимосвязи между параметрами и свойствами наночастиц, что позволит с новой точки зрения взглянуть на уже существующие наноматериалы и откроет возможности улучшения их свойств.

Ожидаемые результаты
Будет получен большой набор образцов различной формы и различным количеством дефектов и кислородных вакансий. Будет получена и систематизирована информация о факторах, влияющих на процесс ориентированного присоединения, предложено описание этого процесса. Будет получена и систематизирована информация о связи фотокаталитической активности с морфологическими и структурными параметрами наночастиц на примере органических красителей и антибиотиков. Будет разработан эффективный фотокатализатор для разложения антибиотиков сульфаниламидного, тетрациклинового и фторхинолонового рядов. Будет предложен алгоритм направленного синтеза наночастиц с заданными свойствами для получения фотокатализатора для разложения произвольного органического загрязнителя.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Методом осаждения путем варьирования условий синтеза (температуры проведения процесса, рН среды и процедуры добавления исходных реагентов) получены 12 вариантов первичных блоков, проведена их комплексная характеризация, показано, что они имеют одинаковый размер и форму, но с различное содержание вакансий и дефектов и отличающийся состав поверхности. Для выбранных образцов с использованием оригинального подхода (применение реальных параметров элементарной ячейки образцов как входных параметров расчетного эксперимента, регистрация спектров поглощения и отражения, определение энергий прямых и непрямых переходов и сравнение данных физико-химического и расчетного экспериментов) проведено определением количества кислородных вакансий в кристаллической структуре квантово-химическими методами. На основании установленной структуры созданы модели поверхности, оценены потенциалы взаимодействий граней друг с другом и с ионами в реакционной среде. Проведен синтез конечных наночастиц путем гидротермальной обработки исходных блоков (варьируемые параметры – длительность процесса, состав реакционной среды, природа и концентрация исходных структуных блоков) с последующей комплексной характеризацией. Установлено, что в зависимости от условий синтеза и использованных исходных блоков формируются стержнеобразные частицы различного размера, содержащие в своем различное количество исходных блоков. Установлено, что выраженную экранирующую способность проявляют ионы аммония и хлора, а исходные структурные блоки могут соединяться как по грани 001, так и по грани 111, что приводит к формированию отличающихся по размерам наночастиц. Наиболее крупные частицы образуются в случае блока, для которого ионы аммония более длительное время находятся рядом с гранью 100, и менее выражено блокируют грань 001. Увеличение количества частиц в обрабатываемой суспензии не приводят к выраженному изменению размера, тогда как удаление ионов из реакционной среды путем промывки способствует более выраженному взаимодействию структурных блоков, тогда как введение «лишних» ионов ограничивает процессы их коалесценции. На основании комплексного анализа данных по фотокаталитической активности полученных наночастиц против красителей и антибиотиков различной природы, нами было установлено, что эффективность фотодеградации определяется соотношением: - структурных параметров наночастиц (для частиц одного и того же размера и формы и одного загрязнителя основной параметр – это фотокаталическая активность или соотношение вакансий и дефектов) - морфологических параметров наночастиц (для частиц близкого размера, но разной формы при условии значения vac/def не ниже среднего и одного загрязнителя основным определяющим фактором будет являться соотношение различных граней, поскольку разные грани по-разному взаимодействуют с молекулами красителя) - выраженностью взаимодействия между поверхностью наночастиц и молекулами загрязнителя (фотокатализатор должен содержать грани, на которых образуется активированный комплекс и грани, на которых генерируются радикалы). Продемонстрирована перспективность использования разработанных фотокатализаторов для очистки сточных вод на примере разложения красителей метиленового голубого, родамина 6Ж и метиленового фиолетового, а также сульфаниламидов (сульфапиридин, сульфадимезин и сульфаметоксазол) с использованием природной воды, отобранной из Невы. Результаты работы доложены на 5 конференциях (4 устных и 1 флэш доклад, отмеченный грамотой), 2 статьи прошли рецензирование и приняты в печать и 1 находится на стадии рецензирования.

 

Публикации

1. Скрипкин Е. В., Подурец А. А., Колоколов Д. С., Бобрышева Н. П., Осмоловский М. Г., Вознесенский М. А., Осмоловская, О. М Formation via oriented attachment process and photocatalytic activity of small and crystalline spherical SnO2 nanoparticles Журнал общей химии/Russian Journal of General Chemistry, - (год публикации - 2023)

2. Скрипкин Е.В., Подурец А.А., Колоколов Д.С., Емельянова М.С., Черезова П.Ю., Наволоцкая Д.В., Ермаков С.С., Шишов А.Ю., Булатов А.В., Бобрышева Н.П., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Осмоловская О.М. Fast and ecofriendly triple sulfonamides mixture utilization using UV irradiation and spherical SnO2 nanoparticles with controllable parameters and antibacterial activity Chemosphere, - (год публикации - 2023)

3. - Генерация «кислородных пираний»: придуман новый метод очистки воды Страна Росатом, Страна Росатом, Роман Залотуха, 20 марта 2023 (год публикации - )