Разные методы создания поглотителя вредных веществ позволят использовать его в различных областях
29.06.2020
Российские
химики изучили, как способ синтеза пористых медь-органических структур влияет
на механизм их взаимодействия с органическими молекулами. Применение
микроволнового излучения позволяет получить хорошо адсорбирующую поверхность, а
высокие давление и температура — доступные микропоры. Первая особенность
окажется полезна при проведении исследований, основанных на разделении смесей,
а вторая поможет при глубокой очистке, например, нефти от вредных для экологии
примесей. О своей работе ученые сообщили в журнале Molecules. Исследования поддержаны грантом Президентской программы
исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Хроматография — это
метод анализа смесей веществ, основанный на их разделении. Принцип заключается
в том, что движущееся вещество (подвижная фаза) перемещается по поверхности
неподвижного вещества (стационарной фазы). Со временем образец разделяется на
компоненты из-за различных факторов, например отличающейся растворимости
составляющих, их заряде, специфическом взаимодействии со стационарной фазой и
прочее. Хроматография позволяет работать с летучими и жидкими веществами, а
также некоторыми редкоземельными и радиоактивными элементами. Такой прием
используется в криминалистике при исследовании материалов с места преступления,
в медицине при диагностике опасных заболеваний, в экологии и пищевой
промышленности для оценки качества продуктов.
В зависимости от того, что
приводит подвижную фазу в движение, хроматография делится на виды. Один из них,
жидкостный, заключается в том, что подвижная фаза под высоким давлением
пропускается через колонку с сорбентом. В качестве последнего предлагается использовать
металлоорганические каркасные структуры (Metal-Organic Frameworks, MOFs). Уникальное строение MOF — наличие доступных микропор,
возможность одновременного варьирования природы металла и органической составляющей
пористого каркаса — позволяет проводить разделение некоторых веществ,
недоступное на других пористых материалах.
Пористая структурва HKUST-1 построена из ионов меди и
остатков бензолтрикарбоновой кислоты. Материал способен подобно губке поглощать
и избирательно (селективно) удерживать молекулы различных органических веществ.
Но для эффективного использования нужно понимать, каким образом вещество
действует. Российские химики решили проверить, как способ получения этой MOF-структуры влияет на эффективность
и механизм ее работы в процессах разделения.
Для начала
исследователи получили порошки HKUST-1
тремя способами: при помощи облучения реакционной смеси микроволнами (образец
был назван HKUST-1mw), методом
сольвотермального синтеза (HKUST-1solv1) и по оригинальной
сольвотермальной методике с использованием смеси диметилформамида с водой (HKUST-1solv2). Сольвотермальный
синтез предполагает, что процесс происходит в закрытой системе при высоких
температуре и давлении. Твердый продукт получается из сверхкритических
жидкостей-реагентов с низкой вязкостью и высокой скоростью перемещения
компонентов.
Все образцы прошли адсорбционные,
хроматографические, микроскопические и рентгеновские исследования: через пористые
слои полученных металлорганических каркасных структур пропускали растворы различных
органических веществ, в том числе бензола, хлор- и нитрофенолов, тетрациклина,
парацетамола, никотина и других, исследуя поверхностные свойства MOF-структур. На весах измеряли массу
адсорбента, чтобы оценить количество поглощенных веществ, а также проверили матрицу
на прочность, увеличив давление до 20 атмосфер, а после этого измерив параметры
пористой структуры каждой MOF-матрицы.
«Механизмы
взаимодействия органических молекул с образцами HKUST-1, синтезированными разными
методами, различаются. Так, MOF-структуры,
полученные при помощи сольвотермального синтеза, имеют доступные микропоры,
поэтому оптимальны для использования в методах селективной адсорбции, например
при глубокой очистке различных веществ. В то же время MOF-матрица, созданная в условиях микроволнового
синтеза, поглощает частицы поверхностью пор, поэтому она может быть
использована в качестве неподвижной фазы в высокоэффективной жидкостной
хроматографии для разделения смесей веществ», — рассказывает руководитель
проекта по гранту РНФ Булат
Сайфутдинов, ведущий научный сотрудник лаборатории
физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Института физической химии и
электрохимии имени А. Н. Фрумкина Российской академии наук
(Москва).
Основной целью проекта
химики обозначили создание новых, усовершенствованных материалов для жидкостной
хроматографии и селективной адсорбции. Знания, полученные в ходе исследования, могут
быть использованы при глубокой очистке нефтепродуктов от азот-, кислород- и
серосодержащих соединений для получения экологически чистых моторных топлив.
Картинка 1. Электронная
микрофотография материала HKUST-1. Источник: Булат Сайфутдинов/ИФХЭ РАН
Картинка 2. Колонки для
хроматографии, заполненные порошками материала HKUST-1. Источник: Булат
Сайфутдинов/ИФХЭ РАН
Картинка 3. Жидкостный
хроматограф центра коллективного пользования ИФХЭ РАН, на котором проводились
исследования.
Источник: Булат Сайфутдинов/ИФХЭ РАН
Пресс-служба Российского научного фонда