Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ в составе международной группы исследователей с участием работников немецкого синхротронного центра DESY показали, что для создания эффективно осушающих воздух мембран необходимо использовать оксид графена с максимальной степенью окисленности. Мембраны на основе оксида графена могут найти применение как в бытовых системах вентиляции и кондиционирования, так и в промышленности.

Статья опубликована в Carbon – ведущем журнале в области изучения структуры, свойств и применения различных углеродных материалов.

Двумерные материалы рассматриваются учеными как перспективная основа для очень качественных мембран. Надежды основаны на том, что толщина двумерных материалов – всего несколько атомных слоев. За счет этого в них можно создавать слоевые дефекты, пропускающие только определенный вид молекул.

Например, оксид графена обладает двумерной структурой и хорошо смачивается водой из-за большого количества кислородсодержащих групп. В результате материалы на основе оксида графена могут сорбировать до 60% воды относительно своей массы. Повышенная способность материала к поглощению и удалению паров воды определяет их высокую проницаемость через мембрану. Наличие воды между слоями также приводит к блокировке переноса остальных газов. То есть вода через мембрану пройдёт, а всё остальное – нет.

Образцы мембран

«Впервые возможность использования мембран на основе оксида графена для осушения газа была показана в 2012 году в работе нобелевского лауреата Андрея Гейма, – рассказал автор исследования, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии МГУ Дмитрий Петухов. – Однако в этом и в последующих исследованиях авторы не изучали влияние химического состава и содержания различных функциональных групп на скорость транспорта газов и паров воды, что было сделано в рамках нашей работы».

Оксид графена – это не одно, а целый класс соединений с различным соотношением атомов углерода и кислорода и присутствием различных функциональных групп. Поэтому многие его свойства определяются химическим составом, который задается на стадии синтеза. Дмитрий Петухов с коллегами показал, что для создания высокоэффективных осушающих мембран нужен оксид графена с минимально возможным соотношением атомов углерода к кислороду.

«При большем количестве атомов кислорода увеличивается гидрофильность поверхности материала, и поэтому мембраны лучше пропускают воду, – пояснил Дмитрий Петухов. – Для изучения этого процесса мы получили оксид графена обработкой порошка графита перманганатом калия. Различной степени окисленности добивались изменением соотношения графита и перманганата. Далее из полученной суспензии путем нанесения на подложку формировали мембраны и изучали их транспортные свойства. Комплексное исследование таких мембран требовало использования разнообразных физико-химических методов, поэтому исследования выполнялись также в Удмуртском научном центре РАН и в синхротронном центре DESY».

Авторы работы

Мембраны на основе оксида графена могут найти применение и в бытовых системах вентиляции и кондиционирования, и в промышленности, например, при подготовке природного и попутного нефтяного газа к трубопроводному транспорту. Правда, до сих пор существует ряд проблем, связанных с нанесением оксида графена на большие площади, увеличением стабильности и долговечности мембран. Поэтому химики МГУ сейчас активно работают над повышением устойчивости мембран к перепаду давления, экспериментируя с внедрением в межслоевое пространство различных соединений.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №18–29–19105.