Химики МГУ нашли идеальный оксид графена для осушающей мембраны | Популярный Университет

Химики МГУ нашли идеальный оксид графена для осушающей мембраны

Сотрудники 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. Мембраны на основе оксида графена могут найти применение как в бытовых системах вентиляции и кондиционирования, так и в промышленности. Статья опубликована в Carbon — ведущем журнале в области изучения структуры, свойств и применения различных углеродных материалов.

Двумерные материалы рассматриваются учёными как перспективная основа для очень качественных мембран. Надежды основаны на том, что толщина двумерных материалов — всего несколько атомных слоев. За счёт 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.

Рисунок 1.  Реактор  для изучения свойств мембраны. Источник: Александра Кучерова, МГУ

«Впервые возможность использования мембран на основе оксида графена для осушения газа была показана в 2012 году в работе Нобелевского лауреата Андрея Гейма», — рассказал автор исследования, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии МГУ 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».

Рисунок 2.  Образцы мембран. Источник: Александра Кучерова, МГУ

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».

Рисунок 3.  Авторы работы. Источник: Александра Кучерова, МГУ

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.

Иллюстрация к новости — образец мембраны. Источник: Александра Кучерова, МГУ

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: