Группа исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова 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» разработала новый синтетический подход, который позволяет создавать аэрогели из диоксида германия (GeO₂) с контролируемым углом смачивания.

Предложенный экономичный одностадийный подход позволяет получить стабильные на воздухе аэрогели диоксида германия без использования дополнительных реагентов. Синтезированный аэрогель обладает улучшенными механическими характеристиками, и может быть использован для создания новых высокотехнологичных люминофоров, анодных элементов в литий-ионных аккумуляторах (ЛИА) высокой ёмкости, а также в качестве носителей катализаторов. Результаты работы опубликованы в международном журнале Gels.

Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Объёмные высокопористые материалы, сформированные 3D-каркасом из наночастиц, обладают высокой площадью поверхности и одновременно высокой механической прочностью, что делает их особенно привлекательными для создания катализаторов, а также позволяет увеличить циклическую стабильность и ускорить диффузию ионов лития в ЛИА. Кроме того, люминесцентные свойства наночастиц вещества могут отличаться от его свойств в объёме. Научная группа из Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН уже несколько лет работает над созданием материалов на основе аэрогелей диоксида германия. Исследователи разрабатывают новые методы синтеза таких материалов, изучают их состав, структуру и люминесцентные характеристики. Одним из препятствий для промышленного использования аэрогелей является их нестабильность на воздухе из-за взаимодействия с парами воды.

Учёные работают над проблемой продления срока службы получаемых аэрогелей. Исследование прокомментировала научный сотрудник ИОНХ РАН, кандидат химических наук Варвара Веселова: «При получении аэрогеля традиционными методами на его поверхности неизбежно остаются гидроксильные группы (–ОН). 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, т.е. 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 дешёвый и стабильный тетрахлорид германия в качестве основного прекурсора. Мы вводим в систему небольшое количество со-прекурсора, диэтилдихлорида германия, что позволяет направленно контролировать угол смачивания, то есть 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».

Для получения устойчивых к влаге аэрогелей исследователи использовали эпоксид-индуцированный процесс — контролируемый гидролиз тетрахлорида германия (GeCl₄). В качестве гидрофобизируещего компонента в систему вводили диэтилдихлорид германия ((C₂H₅)₂GeCl₂). Учёные 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 зелёной области.

В итоге предложенный метод позволяет получать аэрогели диоксида германия c заданным контактным углом смачивания, не вводя в систему дополнительных химических элементов, которые могли бы повлиять на свойства материала. Работа поддержана Российским научным фондом (№ 22-73-10182).

В дальнейшем авторы планируют допировать аэрогели диоксида германия различными редкоземельными элементами, что позволит управлять областью высвечивания люминофора.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.