ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Научные достижения химического факультета
04.08.2021

Химики МГУ нашли идеальный оксид графена
для осушающей мембраны

Сотрудники кафедры неорганической химии Химического факультета и Факультета наук о материалах МГУ в составе международной группы исследователей с участием работников немецкого синхротронного центра DESY показали, что для создания эффективно осушающих воздух мембран необходимо использовать оксид графена с максимальной степенью окисленности. Статья опубликована в ведущем в области изучения структуры, свойств и применения различных углеродных материалов журнале Carbon.

Двумерные материалы рассматриваются учеными как перспективная основа для очень качественных мембран. Надежды основаны на том, что толщина двумерных материалов – всего несколько атомных слоев. За счет этого в них можно создавать слоевые дефекты, пропускающие только определенный вид молекул. Например, оксид графена обладает двумерной структурой и хорошо смачивается водой из-за большого количества кислородсодержащих групп. В результате материалы на основе оксида графена могут сорбировать до 60% воды относительно своей массы. Повышенная способность материала к поглощению и удалению паров воды определяет их высокую проницаемость через мембрану. Наличие воды между слоями также приводит к блокировке переноса остальных газов. То есть, вода через мембрану пройдёт, а всё остальное – нет.

"Впервые возможность использования мембран на основе оксида графена для осушения газа была показана в 2012 году в работе Нобелевского лауреата А. Гейма, – рассказал автор исследования, к.х.н., с.н.с. Дмитрий Петухов. – Однако в этом и в последующих исследованиях авторы не изучали влияние химического состава и содержания различных функциональных групп на скорость транспорта газов и паров воды, что было сделано в рамках нашей работы".

Оксид графена – это не одно, а целый класс соединений с различным соотношением атомов углерода и кислорода и присутствием различных функциональных групп. Поэтому многие его свойства определяются химическим составом, который задается на стадии синтеза. Дмитрий Петухов с коллегами показали, что для создания высокоэффективных осушающих мембран нужен оксид графена с минимально возможным соотношением атомов углерода к кислороду.

"При большем количестве атомов кислорода увеличивается гидрофильность поверхности материала, и поэтому мембраны лучше пропускают воду, – пояснил Дмитрий Петухов. – Для изучения этого процесса мы получили оксид графена обработкой порошка графита перманганатом калия. Различной степени окисленности добивались изменением соотношения графита и перманганата. Далее из полученной суспензии путем нанесения на подложку формировали мембраны и изучали их транспортные свойства. Комплексное исследование таких мембран требовало использования разнообразных физико-химических методов, поэтому исследования выполнялись также в Удмуртском научном центре РАН и в синхротронном центре DESY".

Мембраны на основе оксида графена могут найти применение и в бытовых системах вентиляции и кондиционирования, и в промышленности, например, при подготовке природного и попутного нефтяного газа к трубопроводному транспорту. Правда, до сих пор существует ряд проблем, связанных с нанесением оксида графена на большие площади, увеличением стабильности и долговечности мембран. Поэтому химики МГУ сейчас активно работают над повышением устойчивости мембран к перепаду давления, экспериментируя с внедрением в межслоевое пространство различных соединений.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 18-29-19105.

Реактор для синтеза оксида графена и изучения мембран на его основе Образцы мембран

Автор фото: Александра Кучерова/пресс-служба химического факультета МГУ


Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору