В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ модифицировали один из способов синтеза оксида графита (GO) и изучили воздействие пероксида водорода на свойства GO. Получившийся материал нагревали, и за счет высокой пористости становилось возможным использовать его в качестве сорбента.
Окисленные углеродные материалы, такие как оксид графита и его родственные материалы, вызывают особый интерес ученых благодаря уникальным сочетаниям физических и химических свойств. В оксиде графита большое количество кислородсодержащих функциональных групп, которые положительно влияют на его способность диспергироваться в воде, позволяют проводить различные модификации поверхности материала. Существует несколько основных методов получения оксида графита, один из них — метод Хаммерса (Hummers method) получил наибольшее распространение благодаря относительно быстрому процессу синтеза (около 2 часов) и возможности управлять химией поверхности за счет модифицирования методики синтеза. Именно в силу последнего существует огромное разнообразие модифицированных методов Хаммерса для получения оксида графита.
Ученые НГТУ НЭТИ синтезировали оксид графита с использованием модифицированного метода Хаммерса. Мелкодисперсный порошок высококачественного графита помещали в колбу и добавляли пять реагентов: нитрат натрия (NaNO3), серную кислоту (H2SO4), перманганат калия (KMnO4), воду и пероксид водорода (H2O2). На качество и свойства GO, образующегося в процессе синтеза, оказывают влияние многие факторы, включая используемые реагенты, температуру реакции, предварительную обработку исходного материала и время выдержки реакционной смеси. В данной работе роль управления свойствами материала отводилась пероксиду водорода как реагенту, который добавляют последним в систему.
«Пероксид водорода добавляли в реакционную смесь в различных объемах для изучения ее роли в синтезе и образовании поверхностных функциональных групп. Объем H2O2 варьировался с целью получения расширенного набора экспериментальных данных. Также мы изучали роль долгосрочного эффекта воздействия пероксида водорода на превращения функциональных групп в оксиде графита, для этого были получены образцы материала, выдержанные в реакционной смеси в течение 24 часов и семи дней после добавления H2O2», — рассказал профессор кафедры химии и химических технологий НГТУ НЭТИ доктор химических наук Александр Баннов.
По его словам, новый метод управления синтезом — это возможность управлять функциональными группами, их составом, то есть поверхностной химией материала, и за счет этого придавать ему различные свойства. В частности, перед учеными стояла задача максимально увеличить пористость оксида графита.
«Сам оксид графита не пористый, но в нем много кислородсодержащих функциональных групп, интеркалированной воды, и, чтобы он стал пористым, его необходимо нагреть до 350°C. Однако важно соблюдать определенное условие: скорость нагрева должна быть умеренной, чтобы газовая фаза выходила постепенно, разрыхляя материал, придавая ему пористость. Удельную поверхность материала при этом можно увеличить в 30—40 раз», — отмечает Александр Баннов.
В результате нагрева образовался восстановленный оксид графита (rGO). Степень расширения оценивалась по изменению насыпной плотности, были измерены свойства текстуры пористых образцов. Чтобы показать влияние степени окисления GO на пористость восстановленного оксида графита (rGO), были проведены дополнительные эксперименты по термическому восстановлению.
Полученный высокопористый графитовый материал применим в качестве сорбента для поглощения жидкости, для очистки воды. Свойство восстановленного оксида графита вспучиваться при нагревании, образуя защитный слой пены с низкой теплопроводностью, может использоваться для создания на его основе нетоксичных огнезащитных материалов и материалов функционального назначения.