В последние годы значительно повышается интерес к исследованиям, посвященным применению наноструктурированых материалов на основе графена в сорбционных процессах. Особенно актуальными являются вопросы синтеза графеновых гидрогелей и аэрогелей с высокими показателями удельной поверхности и пористости путем гидротермальной/сверхкритической обработки водных или органических дисперсий оксида графена.

Сотрудниками лаборатории сорбционных методов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с коллегами из МГУ им. М. В. Ломоносова разработана технология получения эффективных сорбционных материалов на основе модифицированных графеновых структур с использованием доступных и экологически чистых реагентов. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Химическая физика» (Нескоромная и др., 2023).

С применением методов сушки в сверхкритическом изопропаноле синтезирован высокопористый аэрогель, модифицированный наночастицами оксидов железа, удельная поверхность которых составляет 670 м²/г. При адсорбции широкого ряда ионов металлов из слабокислых растворов сложного состава показана возможность эффективного комплексного извлечения редкоземельных элементов синтезированным аэрогелем.

В качестве исходного сырья для получения наночастиц оксидов железа использован доступный хлорид железа (III). Смешением растворов ацетата железа с дисперсией оксида графена с дальнейшим восстановлением гидроксидов железа до оксидов и оксида графена до графена аскорбиновой кислотой, получена устойчивая структура гидрогеля.

Установлено, что в структуре аэрогеля наночастицы железа присутствуют в форме ферромагнитных оксидных фаз – γ-Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Показано, что частицы равномерно распределены в углеродной матрице аэрогеля, средний размер идентифицированных наночастиц оксидов железа не превышает 100 нм. Подтверждено восстановление оксида графена в процессе синтеза, а также наличие оксидов железа в структуре аэрогеля в предполагаемых ферромагнитных формах. Методом адсорбции/десорбции азота установлено, что структура аэрогеля представлена преимущественно микропорами. Величина удельной поверхности синтезированного аэрогеля составила – 670 м²/г.

При адсорбции широкого ряда ионов металлов из слабокислых матричных растворов сложного состава показана возможность комплексного селективного извлечения редкоземельных элементов синтезированным аэрогелем. Суммарная степень извлечения целевых компонентов превышает 80 %, а по некоторым актинидам – 95 %, при этом суммарная степень извлечения матричных щелочноземельных элементов около 10 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.

Источник: ГЕОХИ РАН.