Highly efficient photocatalysts based on SnO₂ nanoparticles with variable parameters for environmentally friendly utilisation of synthetic dye mixtures

Abstract

Активное использование синтетических органических красителей в различных отраслях промышленности неминуемо приводит к повышению уровня загрязнения водных ресурсов. Одним из перспективных и безотходных методов очистки сточных вод является процесс фотокатализа с использованием полупроводниковых наночастиц. Однако вопрос о том, как фотокаталитическая активность наночастиц зависит от их морфологических и структурных параметров, которые, в свою очередь, можно менять путем изменения условий синтеза, остается открытым.

В настоящей работе предложен подход к регулированию фотокаталитической активности наночастиц SnO2 с различными структурными параметрами под действием ультрафиолетового излучения. Проведена комплексная характеризация синтезированных наночастиц SnO2 различными физико-химическими методами, в том числе с использованием квантово-химических расчетов. Особое внимание уделено разработке протокола количественного определения кислородных вакансий в кристаллической структуре материала для моделирования наиболее приближенного к реальности взаимодействия наночастицы с молекулами органических красителей различной природы. Исследование фотокаталитического процесса включало регистрацию кинетической зависимости деградации смеси красителей, изучение выгодности формирования комплекса краситель-фотокатализатор и исследование влияния соотношения кислородных вакансий и структурных дефектов на фотокаталитическую активность.

Показано, что 93% индивидуальных красителей разлагается за 7 минут, а разложение смеси красителей в реальной пробе воды из реки Невы достигало 60% за 40 минут. Полученные данные могут быть использованы при разработке обоснованной стратегии создания фотокатализаторов, перспективных для очистки реальных сточных вод.

Synthetic dyes are widely used in various industries, which inevitably leads to increased water pollution. One of the recognized and waste-free techniques for water treatment is photocatalytic purification using semiconductor nanoparticles. However, the debate on how photocatalytic properties can be tuned through structural and morphological parameters using nanoparticle synthesis procedures remains open. In the present work, an approach to regulate UV-light-driven photocatalytic activity of spherical SnO2 nanoparticles using different structural parameters is demonstrated for the first time. Complex characterization of nanoparticles was provided using physico-chemical methods with the help of computational methods. Special attention was paid to the development of a protocol of oxygen vacancy accounting within computer calculations for more realistic modeling of the interaction energy between nanoparticles surface and organic dye molecules of different natures. The photocatalysis mechanism was investigated according to the developed protocol, including the study of dye mixture kinetic degradation, dye-photocatalyst complex formation, the ratio of oxygen vacancies and defects. It was shown, that 93% of single dye decomposed in 7 minutes, and degradation of dye mixture in a real water sample from Neva River achieved 60% after 40 minutes. The obtained data can be used for develop the strategy of rational design of photocatalysts promising for purification of real water samples.