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».