Российские химики научились сворачивать графеновые листы в трубки

Российские химики научились сворачивать графеновые листы в трубки | Русская весна

Российские химики научились сворачивать графеновые листы в трубки. Об этом они сообщили в статье, опубликованной в журнале ACS Catalysis. Свое исследование ученые проводили при поддержке Российского научного фонда.

Подробнее об открытии рассказывает заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии (ИОХ) РАН Валентин Анаников.

— В своей работе вы описали процессы преобразования графеновых систем. Расскажите, пожалуйста, зачем это нужно.

Валентин Анаников: Согласно общепринятым международным дорожным картам, каталитические процессы органической химии имеют ключевое значение для повышения качества жизни человека, сохранения здоровья и развития передовых технологий XXI века.

Здесь важны два аспекта. С одной стороны, речь идет о тонком органическом синтезе — науке и одновременно искусстве конструирования сложнейших молекул. Эта область дает передовые лекарственные препараты, вакцины, биологически активные соединения, функциональные материалы нового поколения.

Есть и много других ярких применений — там, где важна уникальность и сложность молекул. С другой стороны, перед нами крупнотоннажные промышленные процессы, связанные с нефтепереработкой, производством топлива, получением сырья для химической индустрии, производством мономеров и рядом других отраслей.

Цель — менее сложные органические молекулы, однако они требуются в огромных количествах, и тут ключевое значение придается эффективности их производства. Что интересно, и в первом случае тонкой химии (малые количества уникальных веществ), и во втором случае крупнотоннажных процессов (огромные количества простых молекул) главную роль играют нанесенные катализаторы.

Каталитические технологии служат основой большинства всех известных миру химических производств. Если представить себе, что человечество их лишится, то мы немедленно вернемся в каменный век.

Мы исследуем каталитические системы, которые представляют собой частицы металлов, нанесенные на поверхность специального носителя (отсюда и название — нанесенные катализаторы). Один из наиболее широко употребимых носителей — углерод. Он и был задействован в нашем исследовании.

— Что такое графеновые системы и как они связаны с катализом?

Валентин Анаников: Графен — это двумерный ультратонкий материал. Намного тоньше человеческого волоса, его толщина — всего один атом углерода. Несомненный интерес к потенциальным возможностям графена вызывает уникальная комбинация его физических и химических свойств, таких как теплопроводность, механическая прочность, контролируемая электропроводность, фотоактивность, реакционная способность и ряд других.

Чрезвычайна важна такая особенность графена, как его наноструктурная организация и способность объединяться в своеобразные многослойные структуры, что открывает богатые возможности для создания других углеродных материалов с требуемыми свойствами.

Углеродные материалы — универсальная матрица для формирования нанесенных каталитических систем. Частицы металлов, нанесенные на активированный уголь, графит, пористые углеродные материалы и гибридные углеродные системы — классика современного гетерогенного катализа.

Исследователей давно занимал вопрос, как устроены такие каталитические системы и как на самом деле проходят важнейшие химические реакции на подобных металл-углеродных катализаторах. Проблема в том, что «увидеть» химические реакции в столь сложных системах до недавнего времени было невозможно.

Только в последние годы, после того как в наших лабораториях появились современные электронные микроскопы, масс-спектрометры и ЯМР-оборудование, мы смогли посмотреть, как живут молекулы.

— Что удалось обнаружить в вашей лаборатории?

Валентин Анаников: Считается, что в нанесенном металл-углеродном катализаторе углеродная матрица инертна, а в химической реакции участвует частица металла. Наши исследования показали, что это не так. Графеновые слои на поверхности углеродного материала активно взаимодействуют с частицами металлов и вызывают целый ряд трансформаций.

Оказалось, что нагретая микроволновым излучением частица металла с легкостью выжигает графеновые слои, формируя на поверхности сложную сеть «траншей». При изменении условий можно даже прожигать каналы внутри углеродного материала, создавая каналы во всем объеме.

Третий тип процессов, который удалось обнаружить в инертной атмосфере, — образование массива углеродных нанотрубок, растущих прямо на поверхности металл-углеродного катализатора. Как выяснилось, катализатор — не простая и статичная система, а, скорее, сложный «организм», видоизменяющийся и эволюционирующий со временем.

От того, куда направлена эта эволюция, зависит эффективность работы и продолжительность жизни катализатора. А в конечном итоге именно эти параметры определят стоимость производства химических молекул, необходимых для человека.

— Значит, углеродные трубки можно получать из плоского материала?

Валентин Анаников: Да, это отличный вопрос! Как свернуть графен в углеродную нанотрубку? И, наоборот, как развернуть углеродную нанотрубку обратно в графен? Об этом сейчас много спорят. На практике для получения нанотрубок и графена реализованы обычные подходы, а такие способы «дизайнерского» создания углеродных трубок и слоев остаются мечтой экспериментаторов.

Наблюдаемые нами явления и проведенное теоретическое моделирование показали, что при определенных условиях (а именно, при незамещенных концевых атомах графена) процесс сворачивания листа графена в трубку становится термодинамически выгодным.

С точки зрения металл-углеродных систем, такое превращение может иметь место путем нарезания графена на полоски, сворачивания полосок в кольца и дальнейшим ростом трубки за счет соединения колец. В таком процессе частица металла выступает как своеобразный молекулярный выжигатель. Эту идею мы тоже обсуждаем в нашей работе.

— Когда подобные технологии придут в массовое производство?

Валентин Анаников: В нашем случае наблюдается уникальный эффект от воздействия микроволнового излучения на металл-углеродную систему. Микроволновой нагрев позволяет за короткое время создать нужные условия и заметно упрощает процедуру. Причем для реализации эксперимента вполне подходят микроволновые магнетроны, которые во множестве имеются в обычных, хорошо всем известных в быту микроволновых печках.

Практическая реализация и разработка технологии вполне возможны в ближайшее время при наличии интереса со стороны производителя.

Количество просмотров: 284
Русвесна: помощь Донбассу


b4a8f662eb47b5d8