Ученые из
Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Химического
института им. А. М. Бутлерова Казанского федерального университета и
Сколковского института науки и технологий исследовали новый уникальный пористый
материал на основе оксида графена, полученный газопламенным методом. Разработка
перспективна для очистки воды от органических красителей. Работа поддержана
грантами Российского научного фонда (№ 22-19-00110, № 21-73-20024). Результаты
исследований опубликованы в журнале Carbon.
В настоящее
время в химической промышленности, фармацевтике, косметологии и парфюмерии
используют более 60 видов синтетических красителей. Некоторые из них могут быть
опасны для живых организмов, поскольку могут вызывать мутации, аллергию или
даже рак. Красители попадают в окружающую среду со сточными водами промышленных
предприятий и накапливаются в ней. В связи с этим, остро встает проблема
разработки простых способов очистки сточных вод.
Извлечение
красителей с помощью сорбентов – один из распространенных методов выделения
красителей, основанный на селективном поглощении веществ из смеси твердым
материалом – сорбентом. Этот метод выгодно отличают высокая эффективность,
технологичность, простота интеграции в системы химического анализа и
экологическая безопасность.
Коллектив ученых
из Москвы и Казани предложил способ получения нового сорбента, основанный на
сверхбыстром пропускании оксида графена через кислородно-пропановую газовую
смесь. Полученный материал сохраняет структуру оксида графена, но при этом увеличивает
площадь поверхности по сравнению с исходным материалом почти в 30 раз за счет
образования большого количества пор с диаметром в несколько нанометров. Оксид
графена, полученный таким методом, способен быстро и эффективно очищать воду от
органических красителей.
Микрофотографии
сорбента (оксида графена, прошедшего газовое пламя) при различных увеличениях.
Автор иллюстрации: к.х.н. Юлия Иони.
«Метод
газопламенной обработки используют в основном для напыления защитных
металлических и керамических покрытий. Мы применили этот метод, чтобы получить
новый уникальный материал с большой площадью поверхности и высокой пористостью,
– рассказала научный сотрудник Лаборатории химии обменных кластеров ИОНХ РАН,
кандидат химических наук Юлия Иони. – До этого было известно, что оксид
графена, представляющий собой слой моноатомов углерода, покрытый
кислородсодержащими группами, при нагреве уже выше 80 °С теряет кислород и
превращается в восстановленный оксид графена (графен). В своих экспериментах мы
обнаружили, что в результате сверхбыстрого, в течение доли секунды, пропускания
через пламя порошкообразный оксид графена не только не сгорает и не
восстанавливается, но и практически полностью сохраняет свой химический состав.
При этом столь быстрая термическая обработка приводит к удалению воды между
слоями оксида графена, поэтому получается вспученная структура, напоминающая
меха гармошки. За счет этого поверхность оксида графена многократно
увеличивается, а в слоях образуются большое количество наноразмерных пор».
По словам
исследователей, увеличенная площадь поверхности газопламенного оксида графена и
наличие большого количества пор свидетельствуют о перспективах использования
материала в качестве нового эффективного сорбента. Это и было доказано в
дальнейших экспериментах по исследованию адсорбции органического красителя из
водного раствора. Модифицированный в газовом пламени оксид графена
продемонстрировал более высокую скорость удаления красителя, и более высокую
сорбционную емкость – всего за 20 минут адсорбент полностью удалял краситель
метиленовый синий из водного раствора. Благодаря тому, что порошок оксида
графена после газопламенной обработки не распадается в водной среде на
отдельные частицы, его можно легко отделить от очищенной воды.
В дальнейшем
авторы планируют расширить спектр применений материала, а именно исследовать
адсорбцию ионов тяжелых и радиоактивных металлов из водных растворов, а также
возможность удаления токсичных газов из атмосферы.
Очистка водного
раствора от красителя метиленового синего (GOgts – газопламенный оксид графена;
GO – обычный оксид графена). Слева исходный раствор метиленового синего, к
которому добавили сорбент, справа – через 15 минут. Видно, что модифицированный
оксид графена полностью поглотил краситель и осел на дно. Автор иллюстрации:
к.х.н. Юлия Иони.
Источники: ИОНХ
РАН,
мультимедийный портал «Поиск».