В последние годы значительно повышается интерес к исследованиям, посвященным применению наноструктурированых материалов на основе графена в сорбционных процессах. Особенно актуальными являются вопросы синтеза графеновых гидрогелей и аэрогелей с высокими показателями удельной поверхности и пористости путем гидротермальной/сверхкритической обработки водных или органических дисперсий оксида графена.

Сотрудниками лаборатории сорбционных методов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с коллегами из МГУ им. М. В. Ломоносова разработана технология получения эффективных сорбционных материалов на основе модифицированных графеновых структур с использованием доступных и экологически чистых реагентов. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Химическая физика» (Нескоромная и др., 2023).

С применением методов сушки в сверхкритическом изопропаноле синтезирован высокопористый аэрогель, модифицированный наночастицами оксидов железа, удельная поверхность которых составляет 670 м²/г. При адсорбции широкого ряда ионов металлов из слабокислых растворов сложного состава показана возможность эффективного комплексного извлечения редкоземельных элементов синтезированным аэрогелем.

В качестве исходного сырья для получения наночастиц оксидов железа использован доступный хлорид железа (III). Смешением растворов ацетата железа с дисперсией оксида графена с дальнейшим восстановлением гидроксидов железа до оксидов и оксида графена до графена аскорбиновой кислотой, получена устойчивая структура гидрогеля.

Установлено, что в структуре аэрогеля наночастицы железа присутствуют в форме ферромагнитных оксидных фаз – γ-Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Показано, что частицы равномерно распределены в углеродной матрице аэрогеля, средний размер идентифицированных наночастиц оксидов железа не превышает 100 нм. Подтверждено восстановление оксида графена в процессе синтеза, а также наличие оксидов железа в структуре аэрогеля в предполагаемых ферромагнитных формах. Методом адсорбции/десорбции азота установлено, что структура аэрогеля представлена преимущественно микропорами. Величина удельной поверхности синтезированного аэрогеля составила – 670 м²/г.

Образование структуры геля.

При адсорбции широкого ряда ионов металлов из слабокислых матричных растворов сложного состава показана возможность комплексного селективного извлечения редкоземельных элементов синтезированным аэрогелем. Суммарная степень извлечения целевых компонентов превышает 80 %, а по некоторым актинидам – 95 %, при этом суммарная степень извлечения матричных щелочноземельных элементов около 10 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.

Источник: ГЕОХИ РАН.