Российские ученые разработали метод создания пористых стекол с заданными свойствами
Сотрудники Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с коллегами из ЮУ ФНЦ МиГ УрО РАН изучили с помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния структуру натриевых боро-германосиликатных стекол, а также определили характеристики и сорбционные свойства пористых материалов, полученных на основе данных стекол.
Важность создания пористых стекол с заданными характеристиками обусловлена их применением в качестве мембран, матриц для нанокомпозитов, катализаторов, а также контейнеров для утилизации радиоактивных отходов. Как известно, структура стеклообразных материалов в значительной степени зависит от химического состава. Катионы-стеклообразователи (бор, кремний, германий) в зависимости от концентрации и типа катиона модификатора, способны формировать разнообразные анионные кислородсодержащие группировки, составляющие структуру оксидного расплава и, соответственно, стекла.
«Стандартной для производства пористых стекол является натриево-боросиликатная система. На данный момент не существует работ, где бы обсуждались такие тонкие аспекты, как изменение микроструктуры пористого стекла при замещении одного щелочного катиона другим, в частности натрия калием. Вероятно, это связано с тем, что структурные исследования некристаллических материалов достаточно трудоемки и требуют спектроскопических данных высокого качества. Нам было интересно решить задачу о влиянии размера катиона-модификатора, как на структуру и свойства исходного стекла, так и на характеристики пористого материала», — прокомментировала одна из участников исследования, заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН, доктор химических наук Ольга Королева.
Стекла получали стандартным методом плавления в муфельной печи. По результатам спектроскопических исследований ученые оценили изменения в структуре исходных стекол и выяснили важные корреляции между свойствами и изменениями среднего порядка стекла. Результаты низкотемпературной адсорбции-десорбции азота дали возможность определить характеристики пористых материалов, полученных из стекол методом сквозного травления, и установить зависимость микроструктуры материала от химического состава и структуры исходного стекла.
При этом оказалось, что объем микропор в значительной степени зависит от содержания германия, а на удельную поверхность и объем мезопор в большей степени влияет соотношение различных боратных группировок. Кроме того, было показано, что при возрастании содержания калия в исходном составе увеличивается плотность малорастворимой фазы, а плотность нестойкой фазы имеет обратную зависимость. Эти два фактора влияют на процесс ликвации и ликвационные структуры, и, как следствие, на микроструктуру пористых стекол.
Ученые отмечают, что оптимальными характеристиками в отношении сорбции Cs и стабильности обладает пористое стекло, в котором оксид натрия полностью заменен оксидом калия.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.