Nuevo material de nanopartículas desarrollado para una desalinización eficiente del agua

Alexander Kuchmizhak, investigador senior del Instituto de Procesos de Automatización y Control (FEB RAS), en el laboratorio FEFU. Crédito: Oficina de prensa de FEFU

Las nanopartículas de dióxido de titanio decoradas con oro absorben aproximadamente el 96% del espectro solar y lo convierten en calor. El material puede acelerar la evaporación en plantas de desalinización hasta 2,5 veces y puede rastrear moléculas y compuestos peligrosos. Un equipo de investigación internacional con representantes de la Universidad Federal del Lejano Oriente (FEFU), la Universidad ITMO y la Rama del Lejano Oriente de la Academia de Ciencias de Rusia, publicó un artículo relacionado en Materiales e interfaces aplicados ACS.

El acceso al agua potable está incluido en los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Mientras tanto, la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Fondo para la Infancia (UNICEF) abordaron el problema en el informe de 2019 y señalaron que 2.200 millones de personas carecen de acceso a agua potable.

Una de las formas de proporcionar agua potable limpia es desalinizar el agua de mar por evaporación y posterior concentración de vapor. Para lograr una mayor producción se buscan nuevos materiales que aceleren la evaporación. Durante los últimos cinco años, este se ha convertido en un campo de investigación en rápido crecimiento a nivel mundial.

Estos materiales innovadores fueron diseñados por FEFU, FEB RAS y científicos de la Universidad ITMO se unieron a colegas de España, Japón, Bulgaria y Bielorrusia. Los investigadores afirman que se puede utilizar como nanocalentador para la evaporación del agua y como detector óptico en sistemas de sensores que rastrean los rastros más pequeños de varias sustancias en un líquido. Las propiedades posteriores pueden ser relevantes para sistemas biomédicos de microfluidos, laboratorio en chips y monitoreo ambiental de contaminantes, antibióticos o virus en el agua.

“Tras la irradiación con láser, el dióxido de titanio inicialmente cristalino se volvió completamente amorfo adquiriendo propiedades de absorción de luz fuertes y de banda ancha. La decoración y el dopado del material mediante nanoclusters de oro también facilitaron la absorción de la luz visible. Inicialmente, teníamos la intención de utilizar la función en el contexto de la energía solar, pero rápidamente nos dimos cuenta de que, debido a la nueva estructura amorfa, las nanopartículas en la capa activa de las células solares convertirán la energía solar absorbida en calor en lugar de electricidad. Pero surgió la idea de utilizarlo como una especie de nanocalentador en un tanque de desalinización, lo cual se realizó con éxito en condiciones de laboratorio ”, dice uno de los autores del artículo Alexander Kuchmizhak, investigador senior del Instituto de Procesos de Automatización y Control de el FEB RAS.

El material se obtuvo mediante una tecnología simple y respetuosa con el medio ambiente de ablación láser en un líquido.

“Agregamos nanopolvos de dióxido de titanio a un líquido que contenía iones de oro e irradiamos la mezcla con pulsos de láser del espectro visible. El método no requiere equipos costosos, productos químicos peligrosos y se puede optimizar fácilmente para sintetizar nanomateriales únicos a una tasa de gramos por hora ”, dijo el participante de la investigación Stanislav Gurbatov, investigador junior del Instituto Politécnico (Escuela) de FEFU.

Cabe destacar que las nanopartículas iniciales de dióxido de titanio no absorben la radiación láser visible. Sin embargo, catalizan la formación de racimos de oro de tamaño nanométrico en su superficie estimulando una mayor fusión del dióxido de titanio. Varias nanopartículas híbridas se fusionan formando una nanomorfología única, en la que los nanoclusters de oro se encuentran tanto en el interior como en la superficie del dióxido de titanio.

El nanopolvo de dióxido de titanio amorfo decorado con Au parece completamente negro para el ojo humano, ya que absorbe eficientemente dentro de todo el espectro de luz visible como un calabozo en el espacio lo hace y lo convierte en calor. En marcado contraste, el polvo de dióxido de titanio comercial utilizado como material de partida, se ve como blanco.

El desarrollo de nuevos materiales, incluidos los que apoyan nuevos principios físicos manejables para una amplia gama de aplicaciones, se incluye dentro de las áreas prioritarias de FEFU en las que los científicos están trabajando en estrecha colaboración con la Academia de Ciencias de Rusia y colegas nacionales y extranjeros.

Referencia: “TiO negro decorado con Au2 Producido mediante ablación láser en líquido ”por Stanislav O. Gurbatov, Evgeny Modin, Vladislav Puzikov, Pavel Tonkaev, Dmitriy Storozhenko, Aleksandr Sergeev, Neli Mintcheva, Shigeru Yamaguchi, Natalie N. Tarasenka, Andrey Chuvilin, Sergey Makarichulin, Sergein A. Kuchmizhak, 27 de enero de 2021, Interfaces y materiales aplicados de ASC.
DOI: 10.1021 / acsami.0c20463

La Russian Science Foundation (subvención nº 19-79-00214) apoyó el estudio.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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