КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-23-01088
НазваниеСинтез и исследование гибридных материалов на основе оксида графена и восстановленного оксида графена и керамических наночастиц для использования в процессах сорбции органических красителей
Руководитель Козерожец Ирина Владимировна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов
Ключевые слова керамические наночастицы, органические красители, восстановленный оксид графена, оксид графена, гибридные материалы, водоочистка, сорбция, оксид алюминия, оксид кремния.
Код ГРНТИ31.17.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Антропогенное загрязнение водных ресурсов является одним из наиболее значимых вопросов в последние годы. Загрязнение водоемов токсичными веществами, в том числе синтетическими органическими красителями, оказывает существенное влияние на состояние экосистем и здоровья человека. Эти вещества способны накапливаться в живых организмах, приводя к возникновению серьезных заболеваний и даже к летальному исходу.
Основная часть загрязняющих веществ попадает в водные источники через сточные воды в виде отходов с различного типа производств. Среди ключевых загрязнителей выделяются органические красители, глобальное производство которых составляет порядка 700 000–800 000 тонн в год. Они используются для окрашивания тканей и получения лекарственных препаратов, а также в пищевой промышленности.
Для решения обозначенной проблемы разрабатываются различные технологии водоочистки, включая создание мембранных фильтров и сорбентов. Настоящий проект направлен на создание гибридных материалов на основе оксида графена и восстановленного оксида графена и керамических наночастиц. Графеновые материалы могут стать основой для создания мембран и фильтрующих материалов, благодаря своей уникальной двумерной структуре, наличию большого количества функциональных групп и дефектов. Отрицательный заряд поверхности оксида графена и восстановленного оксида графена позволяет эффективно связывать катионные красители и катионы металлов; эффективность их использования в ряде случаев даже превосходит эффективность активированных углей. С другой стороны, в сорбционных процессах часто применяются наночастицы оксида алюминия и кремния, и их производные. Таким образом, создание новых гибридных материалов может привести к получению сорбентов с улучшенными характеристиками. Гибридные материалы на основе оксида графена и восстановленного оксида графена также можно будет применять для избирательной сорбции – выделения из растворов катион-содержащих реагентов и катионных красителей.
В рамках настоящего проекта будут получены гидротермальным методом синтеза наночастицы керамики (оксиды алюминия и кремния, а также алюминаты щелочно-земельных металлов), которые будут нанесены на поверхность оксида графена и восстановленного оксида графена. Оксид графена будет получен по модифицированному методу Хаммерса и далее будет использован для его термического и химического восстановления. Нанесение наночастиц керамики будет проводиться методом совместного диспергирования с графеновыми материалами. Полученные гибриды будут исследованы комплексом методов физико-химического анализа и далее использованы в модельных процессах удаления катионных красителей (метиленового голубого, бриллиантового зеленого и других) из водных и органических растворов. Создание новых гибридных материалов на основе графеновых структур и наночастиц керамики как высокоэффективных сорбентов для удаления вредных органических красителей будет способствовать реализации национальных экологических проектов и государственных программ.
Ожидаемые результаты
В результате проведения работ по проекту будут отдельно получены чистые высокодисперсные порошки наночастиц керамики (оксида алюминия, оксида кремния, алюминатов кальция, стронция, бария) с заданными свойствами. Направленное изменение параметров гидротермального синтеза позволит варьировать форму получаемых порошков, их размер, насыпную плотность, гигроскопичность.
Процесс синтеза будет заключаться в последовательности операций, включающих в себя 1) получение кипящего раствора металлсодержащего прекурсора, в который будет введен стабилизатор; 2) упаривание водно-углеводного раствора; 3) нагрев и вспенивание при температуре 350◦С с образованием промежуточной формы и 4) конечную термическую обработку при температуре 700–1200◦С. Преимущество многостадийной термической обработки насыщенного водного раствора соли и стабилизатора, по сравнению с другими методами синтеза наноразмерных керамических порошков, заключается в возможности синтеза частиц с различным уровнем разупорядочения дефектной структуры, что будет влиять на реакционную способность и сорбционные свойства.
Полученные порошки нанокерамики будут исследованы физико-химическими методами, включающими в себя порошковый рентгенофазовый анализ, сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, ИК- и КР спектроскопию, измерение площади поверхности по БЭТ, пористости, и др.
По модифицированному методу Хаммерса будет получен оксид графена с различной степенью окисленности путем изменения эквивалентного количества окислителя (перманганата калия) по отношению к графиту. Полученный оксид графена будет использоваться 1) для непосредственного нанесения наночастиц керамики на его поверхность; 2) для дальнейшего термического и химического восстановления до восстановленного оксида графена. В качестве химических восстановителей будут использованы боргидрид натрия, гидразин и аскорбиновая кислота. Термическое восстановление будет проводиться в диапазоне температур 300-800ºС в автоклавах. Таким образом будет получен гибридный материал на основе восстановленного оксида графена и керамических наночастиц. Также восстановленный оксид графена имеет в своей структуре большое количество активных центров и будет использован как матрица для нанесения наночастиц керамики из дисперсии.
Гибридные материалы будут исследованы физико-химическими методами, включающими в себя порошковый рентгенофазовый анализ, сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, ИК- и КР спектроскопию, и др.
Полученные гибридные материалы на основе оксида графена и восстановленного оксида графена и наночастиц керамики будут использованы в модельных процессах удаления, в том числе селективного, катионных красителей (метиленового голубого, бриллиантового зеленого, метилового фиолетового) из водных и органических растворов. Эффективность удаления красителя из раствора будет оцениваться при использовании метода УФ-видимой спектроскопии.