Устойчивые к воздействию воды. Простой способ получения уникальных аэрогелей разработали ученые из ИОНХ РАН

Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН разработали простой и экономичный способ синтеза гидрофильных и гидрофобных аэрогелей диоксида германия с высокой удельной поверхностью путем сушки при атмосферном давлении. Получение и свойства таких аэрогелей ранее практически не были описаны в литературе. Авторы работы считают, что предложенная ими методика позволит создать новые высокотехнологичные материалы для использования в медицине и промышленности. Результаты работы опубликованы в международном журнале Nanomaterials . 

Оксид германия является уникальным материалом, который обладает огромным потенциалом для широкого применения в различных областях промышленности. В частности, оксид германия эффективно используется в качестве катализатора в реакциях парового реформинга метанола (технологии топливных элементов) и в производстве полиэтилентерефталевой смолы.

В последние годы на основе оксида германия создают стабильные анодные материалы для аккумуляторов высокой емкости. Многие из этих применений требуют создания высокопористого материала с ультрамалыми размерами частиц. Например, в катализе важна именно площадь поверхности катализатора; аналогичным образом, высокая пористость анодного материала в литий-ионных аккумуляторах позволяет увеличить стабильность электродного материала в циклах зарядки/разрядки. Такая высокая пористость присуща аэрогелям – высокотехнологичным ультралегким материалам. 

Первые аэрогели были получены еще в 1930 гг. из оксида кремния. Кремний и германий находятся в одной группе Периодической таблицы химических элементов и обладают схожими химическими свойствами, однако работ по получению аэрогелей на основе диоксида германия известно очень мало. 

Частично это связано с тем, что процесс получения аэрогелей значительно усложняет использование дорогих реактивов и технологически сложного процесса сверхкритической сушки.

Ученые из ИОНХ РАН разработали две простые и экономичные методики синтеза гелей на основе диоксида германия, не требующие сверхкритической сушки, и подобрали модифицирующие добавки для проведения сушки при атмосферном давлении. Исследование прокомментировала научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Варвара Веселова:

«Для получения аэрогелей при атмосферном давлении, т.е. без использования сверхкритического углекислого газа, поверхность геля нужно модифицировать специальными гидрофобными (отталкивающими воду) соединениями. Нам удалось подобрать подходящие для этого кремнийсодержащие добавки. Мы обнаружили, что введение этих добавок влияет не только на возможность сушки при атмосферном давлении, но и на структуру оксида германия, из которого состоят аэрогели. Использование предложенных нами методик сделало возможным получать как аморфные, так и кристаллические аэрогели. Это важно для создания в будущем люминесцентных материалов». 

Кроме того, в зависимости от условия получения аэрогелей можно управлять смачиваемостью материалов, получая как гидрофобные, так и гидрофильные аэрогели на основе диоксида германия. Это, в свою очередь, дополнительно расширяет возможности использования полученных аэрогелей в медицине для адресной доставки лекарственных средств. Введение лекарственного препарата в гидрофильную матрицу приводит к его быстрому высвобождению, а в гидрофобную – к более медленному (пролонгированному) высвобождению.

В дальнейшем авторы планируют создать на основе полученных аэрогелей аноды для литий-ионных аккумуляторов высокой емкости. Работа поддержана Российским научным фондом (№ 22-73-10182).

Источник: Veselova, V.O.; Kottsov, S.Y.; Golodukhina, S.V.; Khvoshchevskaya, D.A.; Gajtko, O.M. Hydrophilic and Hydrophobic: Modified GeO2 Aerogels by Ambient Pressure Drying. Nanomaterials 2024, 14, 1511. https://doi.org/10.3390/nano14181511

Фото на обложке: полученный образец аэрогеля диоксида германия (автор – Сергей Котцов)