Новый метод получения гидрофобных аэрогелей диоксида германия для медицины и промышленности
Группа исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Научного центра генетики и наук о жизни Университета Сириус, Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ «Курчатовский институт» и Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» разработала новый синтетический подход, который позволяет создавать аэрогели из диоксида германия (GeO2) с контролируемым углом смачивания. Предложенный экономичный одностадийный подход позволяет получить стабильные на воздухе аэрогели диоксида германия без использования дополнительных реагентов. Синтезированный аэрогель обладает улучшенными механическими характеристиками, и может быть использован для создания новых высокотехнологичных люминофоров, анодных элементов в литий-ионных аккумуляторах высокой емкости, а также в качестве носителей катализаторов. Результаты работы опубликованы в международном журнале Gels.
Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Объемные высокопористые материалы, сформированные 3D-каркасом из наночастиц, обладают высокой площадью поверхности и одновременно высокой механической прочностью, что делает их особенно привлекательными для создания катализаторов, а также позволяет увеличить циклическую стабильность и ускорить диффузию ионов лития в ЛИА. Кроме того, люминесцентные свойства наночастиц вещества могут отличаться от его свойств в объеме. Научная группа из Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН уже несколько лет работает над созданием материалов на основе аэрогелей диоксида германия. Исследователи разрабатывают новые методы синтеза таких материалов, изучают их состав, структуру и люминесцентные характеристики. Одним из препятствий для промышленного использования аэрогелей является их нестабильность на воздухе из-за взаимодействия с парами воды. Ученые работают над проблемой продления срока службы получаемых аэрогелей. Исследование прокомментировала научный сотрудник ИОНХ РАН, кандидат химических наук Варвара Веселова: «При получении аэрогеля традиционными методами на его поверхности неизбежно остаются гидроксильные группы (–ОН). Эти группы реагируют с влагой воздуха, что приводит к постепенному ухудшению свойств материала. Чтобы аэрогель сохранял свои полезные свойства как можно дольше, его нужно сделать гидрофобным, т.е. изменить поверхность наночастиц так, чтобы они не взаимодействовали с водой. В литературе описано несколько возможных подходов к решению этой задачи, но в случае диоксида германия эти методы нам не подошли. Нам удалось разработать метод, который осуществляется всего в одну стадию, используя дешевый и стабильный тетрахлорид германия в качестве основного прекурсора. Мы вводим в систему небольшое количество со-прекурсора, диэтилдихлорида германия, что позволяет направленно контролировать угол смачивания, т.е. можно управлять способностью отталкивать воду. Кроме того, мы смогли избежать введения в систему соединений кремния, которые часто используются для гидрофобизации, но могли бы негативно повлиять на люминесцентные свойства материала».
Для получения устойчивых к влаге аэрогелей исследователи использовали эпоксид-индуцированный процесс – контролируемый гидролиз тетрахлорида германия (GeCl4 ). В качестве гидрофобизируещего компонента в систему вводили диэтилдихлорид германия ((C2H5)2GeCl2 ). Ученые показали, что в зависимости от мольных соотношений прекурсоров можно получать различные углы смачивания, а также продемострировали влияние диэтилдихлорида германия на размер частиц и пористую структуру аэрогеля. Удалось установить, что полученные таким методом аэрогели являются кислорододефицитными, и благодаря этому проявляют яркую люминесценцию в зеленой области.
В итоге предложенный метод позволяет получать аэрогели диоксида германия c заданным контактным углом смачивания, не вводя в систему дополнительных химических элементов, которые могли бы повлиять на свойства материала. Работа поддержана Российским научным фондом (№ 22-73-10182).
В дальнейшем авторы планируют допировать аэрогели диоксида германия различными редкоземельными элементами, что позволит управлять областью высвечивания люминофора.
Фотографии капли воды на поверхности образцов аэрогеля, приготовленных с различными молярными соотношениями прекурсоров GeCl4:(C2H5)2GeCl2 (слева направо) 1:0; 2:1; 1:1.
Источник: Gajtko, O.M.; Golodukhina, S.V.; Kottsov, S.Y.; Subcheva, E.N.; Volkov, V.V.; Kopitsa, G.P.; Son, A.G.; Veselova, V.O. Hydrophobic GeO 2 Aerogels by an Epoxide-Induced Process. Gels 2025, 11, 225.
https://doi.org/10.3390/gels11040225