Químicos da Universidade de São Petersburgo usaram técnicas de análise de big data para prever as propriedades fotocatalíticas de nanofolhas de óxido de zinco, ou seja, um material nanoestruturado que consiste em partículas na forma de folhas finas. O estudo teve como objetivo solucionar a questão da degradação sem resíduos de corantes orgânicos, amplamente utilizados tanto na indústria de tintas quanto na têxtil. Os resultados e resultados da pesquisa também podem ser aplicados a outros problemas ambientais semelhantes.



O desenvolvimento de novos materiais é uma tarefa essencial da ciência moderna. Esses materiais podem reduzir as emissões prejudiciais para a biosfera e diminuir a poluição ambiental. O desenvolvimento de novos materiais é um processo complexo e trabalhoso. Inclui várias etapas. Cada estágio consome muito tempo e é provável que não forneça o resultado desejado.

Os químicos devem, primeiro, sintetizar um material; segundo, estude suas propriedades; e, por fim, teste para ver se o novo material consegue resolver uma tarefa específica. Os cientistas pretendem simplificar e acelerar este processo de desenvolvimento. No entanto, têm de compreender primeiro, mesmo antes de sintetizarem uma substância, quais as propriedades a desenvolver para tornar a substância mais eficaz na resolução de um problema específico.

Cientistas da Universidade de São Petersburgo desenvolveram uma abordagem para prever as propriedades fotocatalíticas de nanofolhas de óxido de zinco. A abordagem abre amplas perspectivas para o desenvolvimento de nanomateriais com propriedades de interesse que podem ser utilizadas, por exemplo, para tratar águas residuais provenientes de corantes. O trabalho está publicado na revista Applied Surface Science .

Os pesquisadores usaram nanofolhas de óxido de zinco como fotocatalisador, ou seja, um material capaz de degradar corantes orgânicos sob luz visível. O óxido de zinco não é tóxico e é simples de produzir. Partículas nanométricas têm uma área superficial maior em comparação com um material a granel normal. Como resultado, a degradação do corante é mais rápida e eficiente. É a transição para a nanoescala que revela as propriedades únicas de muitas substâncias, incluindo propriedades relacionadas com defeitos.

"Imagine que você tem um cubo de Rubik completo com todas as cores combinadas corretamente. Agora imagine que não apenas as cores estão misturadas, mas também faltam algumas partes. No entanto, por mais paradoxal que possa parecer, são esses defeitos que explicam muitas propriedades interessantes de nanomateriais semicondutores, incluindo aquelas que nos permitem usar nanofolhas de óxido de zinco para resolver problemas ambientais", disse Dmitry Tkachenko, coautor do estudo, assistente de laboratório e pesquisador do Departamento de Química Geral e Inorgânica de St. Universidade de Petersburgo.

O estudo teve três etapas. Primeiro, sintetizando nanofolhas de óxido de zinco e descrevendo suas propriedades; segundo, considerando o processo de degradação do corante a nível molecular; e, terceiro, desenvolver um modelo para prever a eficiência do fotocatalisador.

“No momento, ainda não está claro como podemos regular e determinar o número de defeitos (cores misturadas e faltantes no cubo de Rubik) em nano-objetos. encontrar uma maneira de regular o número de tais defeitos em nanofolhas, mas também de aplicar uma abordagem original para prevê-los", disse Olga Osmolovskaya, chefe do grupo para a síntese e estudo de nanopartículas e materiais nanoestruturados, professora associada do Departamento de Química Geral e Inorgânica na Universidade de São Petersburgo.

Como resultado, os químicos da Universidade de São Petersburgo obtiveram um conjunto de parâmetros que descrevem a estrutura e as propriedades das nanofolhas de óxido de zinco.

“A consideração de fenômenos e processos em química está muitas vezes associada a um experimento em laboratório, que requer um certo nível de equipamentos e habilidades. Propomos o uso de simulação computacional, que não requer equipamentos especiais e caros e tem capacidades muito maiores e flexibilidade", explicou Mikhail Voznesenskiy, autor da parte computacional do estudo, professor associado do Departamento de Físico-Química da Universidade de São Petersburgo.

Com isso, de todo o conjunto de parâmetros, os cientistas selecionaram aqueles que tiveram maior impacto na atividade do fotocatalisador.

“Assim, desenvolvemos um modelo único para prever a eficiência da degradação do corante na presença de nanofolhas de óxido de zinco. Agora, qualquer cientista, sem realizar um experimento, pode descobrir quão eficaz será um fotocatalisador com determinados parâmetros. por sua vez, abre oportunidades completamente novas no desenvolvimento de nanomateriais com as propriedades de interesse", explicou Dmitry Kirsanov, autor da parte quimiométrica do estudo, professor do Departamento de Química Analítica da Universidade de São Petersburgo.

Mais informações: ND Kochnev et al, Regulação e previsão de propriedades relacionadas a defeitos em nanofolhas de ZnO:síntese, parâmetros morfológicos e estruturais, estudo DFT e modelagem QSPR, Applied Surface Science (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828
Fornecido pela Universidade Estadual de São Petersburgo