Сотрудники лаборатории кристаллохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (Москва) и Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН (Миасс) методом спектроскопии комбинационного рассеяния определили структуру натриевых боро-германосиликатных стёкол при постепенном замещении натрия на калий при постоянном содержании оксидов катионов-стеклообразователей.

Также в ходе работы были определены характеристики и сорбционные свойства пористых материалов, полученных на основе данных стёкол. Данные исследования позволяют расширить возможности методов создания пористых стёкол с заданными характеристиками.

Важность создания пористых стёкол 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 стёкол 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 заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН доктор химических наук Ольга Николаевна Королёва.

Стёкла были получены стандартным методом плавления в муфельной печи (рис. 1). По результатам спектроскопических исследований были оценены изменения в структуре исходных стёкол и установлены важные корреляции между свойствами и изменениями среднего порядка стекла. Интересно, что зависимости содержания боратных и германатных структурных единиц демонстрируют перегибы в составах, соотношение калия к натрию в которых 2/3 и 3/2, что сопровождается резкими изменениями плотностей исходных стёкол.

По результатам низкотемпературной адсорбции-десорбции азота были определены характеристики полученных пористых материалов. На основании полученных данных была установлена однозначная зависимость микроструктуры такого материала от химического состава и структуры исходного стекла. При этом оказалось, что объём микропор в значительной степени зависит от содержания германия, а на удельную поверхность и объём 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, несомненно, влияют на процесс ликвации и ликвационные структуры, и, как следствие, на микроструктуру пористых стекол. Наибольшая разница между плотностями фаз наблюдается для стекла с преобладанием калия в составе, это приводит к наибольшей диффузии при ликвации, а при выщелачивании стекло приобретает наибольшую удельную поверхность (рис. 2). При этом, за счёт большей плотности германосиликатной фазы каналы, образуемые щелочноборатной фазой, приобретают меньшее сечение, что приводит к уменьшению диаметра пор. В результате пористое стекло, в котором оксид натрия полностью заменён оксидом калия, обладает оптимальными характеристиками в отношении сорбции Cs и стабильности.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.

Источник: Минобрнауки России.