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.
