Ученые Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН разработали экономичный способ синтеза аэрогелей диоксида германия. Способы получения и свойства таких аэрогелей ранее практически не были описаны в литературе. В перспективе материал может быть использован в производстве анодов для литий-ионных аккумуляторов или в медицине.
Первые аэрогели были получены в 1930 гг. из оксида кремния. При этом известны только единичные работы по синтезу аэрогелей на основе диоксида германия, в которых не исследованы функциональные свойства материала. Ученые из ИОНХ РАН разработали простые и экономичные методики создания аэрогелей на основе диоксида германия и подобрали модифицирующие добавки для проведения сушки при атмосферном давлении. Подробнее об исследовании порталу «Научная Россия» рассказала научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Варвара Веселова.
«Первым этапом нашей работы стала разработка методик получения исходных лиогелей на основе диоксида германия. Их можно получать из алкоксидных прекурсоров — это соединения, полученные при замещении атомов водорода гидроксильных групп спиртов на атомы других элементов. Ранее для получения аэрогелей германия использовали именно этот метод, однако такие прекурсоры нестабильные и дорогие. Но для синтеза также возможно использовать хлориды и проводить их гидролиз, или же использовать в качестве прекурсора германат аммония, который образует устойчивые аквагели. Такие подходы успешно используются для получения оксидных аэрогелей, но никто до нас не применял его для получения аэрогелей германия.
Второй этап – сушка лиогеля и получение аэрогеля. Обычно сушку проводят в среде сверхкритического диоксида углерода, чтобы избежать коллапса пористой структуры. Для этого требуются специальные дорогостоящие установки, а производство сложно масштабировать. Но если до сушки особым образом модифицировать лиогель, то возможно высушить его при атмосферном давлении без использования сложного оборудования. Нам удалось подобрать подходящие для этого кремнийсодержащие добавки. Мы обнаружили, что введение этих добавок влияет не только на возможность сушки при атмосферном давлении, но и на структуру оксида германия, из которого состоят аэрогели. Использование предложенных нами методик сделало возможным получать как аморфные, так и кристаллические аэрогели. Это важно для создания в будущем люминесцентных материалов».
При этом обычно при добавлении модификаторов после сушки аэрогель остается гидрофобным. Однако в одном из вариантов методики синтеза с сушкой при атмосферном давлении ученые получили гидрофильный аэрогель. Это расширяет возможности использования материала для адресной доставки лекарственных средств. Кроме того, аэрогели диоксида германия могут быть использованы для создания аккумуляторов высокой емкости.
«Аэрогели диоксида германия интересны, потому что это объемные монолитные высокопористые материалы с большой площадью поверхности. Эти свойства могут быть полезны для их применения в качестве катализаторов для различных реакций или для производства анодов для литий-ионных аккумуляторов. Ранее аэрогели не использовались в их производстве, но в научных работах описано, что оксид германия проявляет большую стабильность в циклах зарядки и разрядки батарей», ― рассказала Варвара Веселова.
Результаты работы опубликованы в международном журнале Nanomaterials. Работа поддержана Российским научным фондом. В следующих исследованиях ученые планируют изучать функциональные характеристики материала.
Иллюстрация: stockstudio44 / ru.123rf.com
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ