Разработан новый метод получения гидрофобных аэрогелей диоксида германия для медицины и промышленности

Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ 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» разработали технологию получения из диоксида германия аэрогеля с контролируемым углом смачивания. Синтезированный аэрогель обладает улучшенными механическими характеристиками и может быть использован для создания новых высокотехнологичных люминофоров, анодных элементов в литий-ионных аккумуляторах (ЛИА) высокой емкости, а также в качестве носителя катализаторов.

Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гели, в которых жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие 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, позволяет увеличить циклическую стабильность и ускорить диффузию ионов лития в литий-ионных аккумуляторах.

Одним из препятствий для промышленного использования аэрогелей является их нестабильность на воздухе из-за взаимодействия с парами воды. Ученые ИОНХ РАН уже несколько лет работает над проблемой продления срока службы получаемых аэрогелей. Исследователи разрабатывают новые методы синтеза таких материалов, изучают их состав, структуру и люминесцентные характеристики.

«При получении аэрогеля традиционными методами на его поверхности неизбежно остаются гидроксильные группы. 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, то есть 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, тоесть 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», — рассказала одна из авторов разработки научный сотрудник лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Варвара Веселова.

Предложенный экономичный одностадийный подход позволяет получить стабильные на воздухе аэрогели диоксида германия без использования дополнительных реагентов. 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 дальнейшем авторы планируют допировать аэрогели диоксида германия различными редкоземельными элементами, что позволит управлять областью высвечивания люминофора.

Работа поддержана Российским научным фондом.