Ученые Южно-Уральского государственного университета запатентовали новый способ получения углеродных материалов на основе сетчатых структур с высоким содержанием азота, что представляет интерес для применения в области электрохимии, производства инновационных фильтров и сорбентов для очистки жидкостей и газов.
Последние 15-20 лет в органической химии развивается новое направление, связанное с созданием ковалентных органических сетчатых структур (covalent organic framework, COF). Данное направление имеет потенциал к бурному развитию в ближайшее десятилетие и сулит немало интересных открытий. Регулируя размер пор сетчатых структур, ученые могут создавать инновационные фильтры, препятствующие проникновению вредных веществ. Это может использоваться для производства сорбентов нового поколения. Также сетчатые структуры незаменимы при создании инновационных сенсорных материалов.
Пример ковалентных органических сетчатых структур [J. Guo et al. Nature Communications. 4:2736]
Синтез новых молекул
Особенностью ковалентных сетчатых структур является то, что они обладают развитой системой пор и могут быть использованы при изготовлении сенсоров газов и жидкостей, адсорбентов для хранения газов, молекулярных сит для разделения газовых смесей, носителей катализаторов. Ученые НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ поставили перед собой задачу создать полностью углеродный материал с упорядоченной сетчатой структурой. Руководит группой Дмитрий Жеребцов, старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов», инженер НОЦ «Нанотехнологии».
«Как и любой органический синтез – создание новой молекулы всегда представляет определенную сложность. Необходимо подобрать условия для проведения необходимых реакций – растворители, температуру, катализаторы. Каждая ковалентная органическая сетка является новым органическим соединением, и в большинстве случаев химики для каждой такой новой структуры синтезируют новые строительные блоки. Сам по себе такой блок является новой молекулой. Чтобы ее получить, нужно пройти процесс многостадийного синтеза», – рассказывает Дмитрий Жеребцов.
Материалы для современных фильтров
Сегодня одним из популярных материалов в науке является графен, который можно рассматривать как пленку толщиной всего лишь в один атом. Но графеновая сетка из атомов углерода очень плотная и не пригодна для создания фильтров, в то время как многие ковалентные органические сетчатые соединения имеют аналогичные графиту слоистые структуры с упорядоченной пористостью.
«Сквозь листок графена не может проникнуть ни одна молекула, поскольку размер просвета между атомами углерода меньше, чем размер любой другой молекулы. Но, как только мы увеличим поры в такой графеноподобной пленке до 0,5 нм, через них смогут проникать молекулы воды, углекислый газ, кислород, азот, водород, любые другие двухатомные газы, но не смогут проникать такие крупные молекулы как бензол, еще более крупные молекулы белков или биологические объекты (например, вирусы). Очень тонкие и достаточно прочные сетчатые слои, которые в перспективе можно получать из ковалентных органических сеток, смогут работать как фильтры или мембраны для очистки жидкостей и газов», – отмечает Дмитрий Анатольевич.
Еще одним из важных примером применения ковалентных органических сетчатых структур служит хранение газов под давлением. Например, водородные автомобили нуждаются в перевозке и хранении водорода. Водород очень неудобно возить при температуре его сжижения при 20°К, поэтому одним из применений ковалентных сетчатых структур является наполнение баллона для хранения водорода высокопористым адсорбентом с развитой поверхностью. На поверхности сетчатой структуры при давлении 150 атмосфер может адсорбироваться до 5-7 массовых % водорода, что уже сегодня перспективно для технического использования.
Работы с органическими сетчатыми структурами на международном уровне
Тема создания ковалентных органических сеток тесно связана с синтезом ароматических полициклических соединений.
«Особенность исследований состоит в том, что мы не просто хотим создать 2-3 новых типа ковалентных органических сетчатых структур, а сделать их полностью углеродными по составу не только строительных блоков, но и мостиков между ними. Это позволит выйти на принципиально новый материал: после создания органической сетчатой структуры с полностью углеродными связями мы планируем путем нагревания до 1000 °С без доступа воздуха превратить ее в новую углеродную кристаллическую структуру. Другими словами, открыть новый класс кристаллических форм углерода. Этого еще не было сделано в мире, и, надеюсь, мы будем первыми», – уверен Дмитрий Жеребцов.
Благодаря реализации программы повышения конкурентоспособности (Проект 5-100), команде ЮУрГУ представилась возможность пригласить молодого высококвалифицированного специалиста из Индии — Сактхи Дхарана, который второй год работает в НОЦ «Нанотехнологии». В 2018 году вышло 3 совместные публикации в московских и международных журналах. Еще 2 рукописи находятся на рецензировании в журналах «Acta Crystallographica» и «Journal of Thermal Analysis and Calorimetry».
Проводя исследования в коллаборации с ученым из Индии, ЮУрГУ удалось разработать новый способ введения атомов азота в структуру графитоподобного углеродного материала, то есть способ легирования углерода азотом. Способ отличается медленным нагреванием смеси пека и меламина до 500°С с последующим ее прокаливанием. Достижение высокого содержания азота при одновременно высокой электропроводности позволит использовать новый материал в качестве электродов для электрохимических устройств, например, аккумуляторов.