Эффективный дефект: ученые создали «решето» для ловли радиации
Ученые создали материал на основе оксида графена, который может впитывать большое количество радионуклидов. Разработку осуществляла международная группа специалистов, в том числе из НИЦ «Курчатовский институт». Ученым удалось синтезировать и охарактеризовать оксид графена с заданными дефектами в молекулярной структуре. Эти особенности улучшают сорбционные свойства материала в 15 раз. Новое вещество может быть востребовано в качестве средства очистки воды от радиоактивных загрязнений, говорят эксперты.
Дыры и пустоты
Уникальный материал на основе оксида графена, способный впитывать большое количество радионуклидов, исследовали ученые НИЦ «Курчатовский институт» совместно с коллегами из МГУ, а также научных организаций Швеции и Германии. Новый улучшенный оксид графена оказался способен сорбировать в 15 раз больше урана из раствора, чем традиционная форма вещества. Такие свойства позволяют использовать материал для очистки вод от радиоактивных загрязнений.
— Мы исследовали механизм сорбции урана на оксиде графена, чтобы определить, какой метод его синтеза позволяет получить наиболее эффективный материал, — сообщил «Известиям» научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» Александр Тригуб, принимавший участие в работе.
Соединение получили из восстановленного оксида графена с использованием реакции, известной как «метод Хаммерса». Авторы исследования модифицировали этот классический способ получения оксида графена при помощи процесса взрывчатого термического расслаивания. В результате возникают дефекты в углеродной структуре графена, способные «улавливать» катионы тяжелых металлов. Так ученые получили материал с большим количеством дефектов в структуре, чем и объясняются его улучшенные сорбционные свойства.
В отличие от обычного оксида графена, в котором частицы кислорода располагаются на плоской поверхности, в дефектном оксиде кислород воздействует на графен таким образом, что создает множество неровностей. Сорбция катионов урана происходит благодаря тому, что на атомах кислорода, расположенных на краю пустот в структуре дефектного оксида графена, помещаются карбоксильные группы. Активное окисление оксида графена увеличивает количество карбоксильных групп, что повышает его сорбционные свойства.
Новый материал был разработан специально для увеличения количества дефектов. Его строение ученые подробно исследовали при помощи мощных микроскопов, рентгеновских лучей и методов спектроскопии.
— Мы провели работу для решения экологических задач, которые актуальны всегда, — сказал Александр Тригуб.
Усилить дефект
Двумерные углеродные материалы, к которым относится оксид графена, всё чаще и активнее используются в различных отраслях промышленности. Сейчас эта тематика — одна из самых трендовых в науке, и исследователи изыскивают всё новые применения таких материалов, рассказал доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Павел Постников.
— Преимущество предложенной технологии — простота и доступность реагентов, — отметил эксперт. — К тому же оксид графена может быть получен в больших объемах, это важно для масштабирования технологии. Предложенный материал представляется очень перспективным для очистки от радиоактивных загрязнений.
Исследование выполнено на высоком методическом уровне, с применением продвинутых подходов для оценки характеристик поверхности (EXAFS и HERFD-XANES), добавил Павел Постников.
— В отличие от графена, производство которого обходится дорого, оксид графена может быть синтезирован достаточно просто. Нерегулярная структура не позволяет применять его напрямую в электронике, но для других целей, например, в качестве сорбирующего материала, думаю, он очень перспективен, — согласен ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.
Предложенный метод получения вещества легко масштабируется и может быть применен для массового производства оксида графена для разработки средств очистки воды, сказал старший научный сотрудник кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, доцент Антон Конаков.
— Авторы предложили достаточно оригинальный подход к решению проблемы повышения адсорбционных свойств оксида графена. Обычно технологи стремятся повысить качество материала, а здесь, наоборот, намеренно получался дефектный материал. Именно дефекты, связанные с границами графеновых частиц и с «дырками» в них, являются эффективными центрами адсорбции радионуклидов, — подчеркнул младший научный сотрудник лаборатории спиновой и оптической электроники научно-исследовательского физико-технического института Университета Лобачевского Руслан Крюков.
Новая работа — логическое продолжение трудов авторов по исследованию сорбционной способности оксида графена, в которых была обнаружена высокая сорбция ионов, содержащих радионуклиды на краевых карбоксильных группах, заметил доцент кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Вячеслав Альмяшев. Авторы разработали технологию создания сильно дефектного оксида графена для увеличения количества сорбирующих центров, и их предыдущие предположения были подтверждены, подчеркнул эксперт. По его словам, до данной работы максимальная сорбционная емкость была зарегистрирована у модифицированной водорослевой биомассы (около 1,5 ммоль/г). Модифицированный оксид графена продемонстрировал показатель почти вдове лучше (2,3 ммоль/г).
