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

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 проекта 23-23-00408

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

Руководитель Вознесенский Михаил Андреевич, Кандидат физико-математических наук

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

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 слова диоксид 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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. Скрипкин Е.В., Подурец А.А., Колоколов Д.С., Бурмистрова А.Р., Бобрышева Н.П., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Осмоловская О.М. Ultrasmall SnO2 Nanoparticles: Influence of O‐Vacancies on the Photocatalytic Degradation of Dyes ACS Applied Nano Materials, том 7, выпуск 6, страницы 6093-6108 (год публикации - 2024)
10.1021/acsanm.3c05997

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Инициирование процесса ориентированного присоединения для наночастиц SnO2 проведено за счет гидротермальной обработки (ГТО). Было проведено более 30 экспериментов по изучению процессов формирования продуктов ориентированного присоединения в смеси исходных блоков с различными структурными параметрами. Все синтезированные образцы были охарактеризованы комплексом физико-химических методов и была составлена общая таблица. Проведены моделирование поверхности граней 001 и 100 наночастиц, оценка выраженности взаимодействия плоскостей двух ориентированных наночастиц, с учетом наличия кислородных вакансий и оценка взаимодействия различных плоскостей наночастиц с ионами в реакционной среде. На основании данных для избранных образцов были построены схемы, описывавшие процессы взаимодействия одинаковых и различных структурных блоков друг с другом. Было уставлено, что во всех случаях ГТО и инициируемое ей срастание частиц приводит к уменьшению количества кислородных вакансий, при этом количество дефектов в случае одинаковых блоков уменьшается, а в случае разных блоков растет. Исследование фотокаталитических свойств проводилось для 13 специально отобранных образцов, представляющих собой наночастицы сферической и стержнеобразной формы с различными параметрами. Для красителей со сложной структурой был разработан и оптимизирован протокол фотокаталитического эксперимента, включающий в себя предварительную адсорбции. Для изучения поверхностного состава образцов после фотокатализа были получены ИК-спектры. Для выяснения механизма фотокаталитического разложения были проведены тесты на «улавливание» для определения тех активных частиц (активные формы кислорода, электроны, дырки), которые наиболее активно участвуют в фотодеградации. Была проведена хемометрическая обработка собранных данных, были выявлены основные параметры, влияющие на фотокаталитическую эффективность. Фотокаталитическая активность была проверена на примере набора антибиотиков (хлортетрацилин, нофлоксацин, сульфапиридин). Было проведено сравнение эффективности разработанных фотокатализаторов с литературными данными и коммерчески доступным материалом Р25 на основе диоксида титана. Продемонстрировано, что фотодеградация метиленового синего проходит более, чем на 90% для всей выборки образцов за 7 минут УФ-обработки. В случае красителя Конго красного с более сложной структурой оптимизированная процедура в течении 30 минут тоже приводит к деградации более 90% загрязнителя. Было показано, что нофлоксацин практически не разлагается – 10% деградации для всех образцов, для хлортетрациклина достигнута степень разложения 51%, а для сульфапиридина 55%. Увеличение длительности обработки позволили достичь 80% деградации хлортетрациклина и сульфапиридина. В ходе дополнительного тестирования было получено более 80% деградации Судана I и 70% деградации в случае Судана IV в течении 30 минут обработки. Разработан новый синтетический подход по разработке стабилизаторов на основе наночастиц для фотокаталитических эмульсий Пикеринга (Pickering emulsions photocatalytic systems – PEPS) для экологически чистой очистки сточных вод от красителей и дизельного топлива. Разработаны протокол комплексного изучения фотокаталитических свойств эмульсий Пикеринга и тестирования фотокаталитической активности против красителей, а также подход для постфотокаталитической фильтрации капель эмульсий. Исполнители гранта доложили о проведенных работах на 4 конференциях, приняли участие в 5 научных и научно-образовательных мероприятиях с презентацией экспонатов, отражающих проводимые работы, провели 3 профориентационных мероприятия и опубликовали 1 статью в журнале ACS Applied Nano Materials (IF 5.3, Q1), еще одна статья находится на стадии Under Review в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (IF 4.9, Q1). Информация о проекте размещена на сайте научной группы (https://nanolabspb.ru/activity/projects/).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта могут быть использованы для продолжения развития методов направленного синтеза наноструктурированных материалов в направлении разработки рекомендаций по выбору условий и методики синтеза для получения частиц заданной морфологии. Во-вторых, на базе разработанных фотокатализаторов будут созданы прототипы материалов, содержащих наноразмерный фотокатализатор для использования в очистных установках, и могут быть созданы системы очистки различной производительности.