Перспективные композиты. Ученые РФ изучили особенности строения ионогелей – новых гибридных материалов

Структуру ионогелей – перспективных органо-неорганических композитов на основе ионных жидкостей – впервые детально изучили исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова, Объединенного института ядерных исследований, Факультета наук о материалах МГУ и Факультета химии НИУ ВШЭ. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Langmuir.

Ионные жидкости – необычные вещества, представляющие собой соли, жидкие при комнатной температуре. Как правило, соли в обычных условиях являются твердыми веществами – всем хорошо известны поваренная соль, медный купорос, квасцы и другие представители этого обширного класса соединений, состоящих из положительно и отрицательно заряженных ионов.

Однако некоторые соли способны оставаться в жидком состоянии при очень низких температурах (намного ниже нуля) за счет несимметричного строения и больших размеров входящих в их состав ионов – их и называют ионными жидкостями. Благодаря своему строению ионные жидкости обладают уникальными свойствами – они практически нелетучи, обладают высокой ионной проводимостью, являются прекрасными растворителями (некоторые из них растворяют даже бумагу!) и экстрагентами для ценных органических соединений и ионов металлов.

В то же время практическое применение ионных жидкостей ограничено именно тем, что они… жидкие. Для решения ряда прикладных задач намного удобнее твердотельные материалы – в частности, твердые экстрагенты и катализаторы более технологичны и экологически безопасны. В связи с этим в некоторых случая целесообразно использовать ионные жидкости не в чистом виде, а в смесях с адсорбентами – например, силикагелем (диоксидом кремния).

Такие композиты – так называемые ионогели – сочетают в себе уникальные свойства ионных жидкостей и преимущества твердофазных материалов, что позволяет создавать на их основе высокотехнологичные устройства и материалы – датчики на сжатие и изгиб, «умные» катализаторы, сорбенты и экстрагенты, системы адресной доставки лекарств и многие другие. Очевидно, что свойства ионогелей будут зависеть от состава и структуры обоих компонентов – и ионной жидкости, и твердой матрицы.

Результаты исследования комментирует один из руководителей работы, чл.-корр. РАН Владимир Иванов: «Наша научная группа заинтересовалась ионогелями относительно недавно, но мы уже получили несколько ярких результатов. Один из них и отражает данная публикация. В этой работе мы сфокусировались на определении структуры ионогелей на основе одной из самых известных ионных жидкостей, тетрафторбората 1-октил-3-метилимидазолия, и коммерчески доступного ультрадисперсного диоксида кремния. Из литературы известно, что для ионогелей характерно проявление так называемого эффекта конфайнмента – ионная жидкость, находящаяся вблизи поверхности твердого сорбента, ведет себя совершенно не так, как в свободном состоянии. Например, проводимость жидкости вблизи поверхности и в объеме может отличаться на порядок, что связано с искажением ее структуры. Мы решили проанализировать структуру ионогелей с различным «вкладом» от эффекта конфайнмента, и для этого использовали очень простой метод – смешали ионную жидкость с ультрадисперсным оксидом кремния в разных соотношениях. Для анализа полученных ионогелей был использован комплекс современных методов, в том числе спектроскопия ядерного магнитного резонанса, инфракрасная спектроскопия, термический анализ и другие. Наиболее информативным оказался метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения, соответствующие измерения мы провели с помощью коллег из Объединенного института ядерных исследований и Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова. Оказалось, что вблизи поверхности твердых частиц структура ионной жидкости резко изменяется – расстояние между анионами и неполярными фрагментами ее катионов увеличивается примерно на 20%. Мы считаем, что полученные результаты важны не только с фундаментальной, но и с практической точек зрения, поскольку получение новых функциональных материалов на основе ионогелей (например, электролитов для аккумуляторов) требует понимания механизмов взаимодействия ионных жидкостей с твердыми носителями различной химической природы. Добавлю, что мне лично особенно приятно, что в работе приняли самое активное участие сотрудники и аспиранты молодежных лабораторий Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН».

Работа выполнена при поддержке проекта РНФ 23-73-00028.

S.Yu. Kottsov, G.P. Kopitsa, A.E. Baranchikov, A.A. Pavlova, T.V. Khamova, A.O. Badulina, Yu.E. Gorshkova, N.A. Selivanov, N.P. Simonenko, M.E. Nikiforova, V.K. Ivanov. Structural Insight into Ionogels: A Case Study of 1-Methyl-3-octyl-imidazolium Tetrafluoroborate Confined in Aerosil // Langmuir. 2024. DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c03162. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.4c03162

Автор фото на обложке: Сергей Котцов, предоставлено ИОНХ РАН