Химия поверхности нанопористых материалов

Никифоров Ю.В., Казакова А.А., Алехина М.Б.; Бондаренко В.Л. (общ. ред.). — Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — 165 с: ил., табл. — (Техническая физика и энергомашиностроение). — ISBN 978-5-7038-4746-6.

Ивановский государственный химико-технологический университет. — Иваново: ИГХТУ, 2021. — 119 с: ил., табл. — ISBN 978-5-9616-0569-3.

Кузнецов Б.Н.; Сиб. федер. ун-т. — Красноярск: СФУ, 2018. — 150 с: ил., табл. — ISBN 978-5-7638-3815-2.

Адсорбция и фазовое поведение чистых жидкостей (CO2, CH4, C2H4) в нанопористых материалах с иерархической структурой пор.

Нанопористые среды рассеивают небольшую часть проходящего через них света, даже если размеры пор значительно меньше характерных длин волн видимого диапазона. Неупорядоченная пространственная модуляция показателя преломления в масштабе нескольких или нескольких десятков нанометров, возникающая в результате присутствия случайно распределенных пузырьков воздуха или твердых агрегатов на непрерывном твердом фоне, приводит к возникновению этих слабых эффектов рассеяния. Однако стандартные теоретические подходы к описанию такого рода сред используют эффективные приближения среды, которые не учитывают диффузные, баллистические и зеркальные компоненты. Здесь все спектральные компоненты и угловое распределение рассеянного света фиксируются с помощью оптического моделирования. Подход Монте-Карло, сочетающий теорию рассеяния Ми и уравнения Френеля, реализованный в рамках генетического алгоритма, позволяет нам расшифровать распределение пустот и агрегатов по размерам и, следовательно, внутреннюю структуру пленки нанокристаллического диоксида титана (TiO2), выбранной в качестве парадигматического примера. Подход позволяет в общих чертах описать рассеивающие свойства нанопористых материалов, которые, как показано здесь, могут быть использованы для расшифровки их внутренней структуры на основе сопоставления их свойств в дальнем оптическом поле.

Нанокомпозиты полипропилен (PP)−поли(этиленоксид) (PEO) были получены путем вытягивания пленок полипропилена при растяжении в водно–этанольных растворах, содержащих PEO с молекулярными массами 4, 20 и 200 кДа, методом экологического крейзинга (EC). ЭК полипропиленовых пленок сопровождается образованием нанопористой структуры, в которую добавлен ПЭО-компонент. Содержание ПЭО в нанокомпозитах PP − PEO может достигать 40%. Кристаллизация ПЭО внутри нанопористой полипропиленовой матрицы протекает в условиях ограниченного пространства: в результате степень кристалличности и температура плавления ПЭО заметно снижаются. Этот эффект, по-видимому, становится более выраженным по мере увеличения молекулярной массы ПЭО. Направление ориентации кристаллических пластинок ПЭО также зависит от молекулярной массы ПЭО. Полученные композиты PP-PEO с новыми теплофизическими свойствами PEO могут быть использованы в качестве газоразделительных мембран, а также в микроэлектронике и электрохимических устройствах.

Бинарный нанопористый сплав Sb-Six успешно получен в качестве электрода для литий-ионных аккумуляторов (LIBs) одностадийным методом химического легирования. Морфологией образца можно управлять, регулируя содержание Al и молярное соотношение Si и Sb в исходных сплавах. Структурные и морфологические характеристики показывают наличие равномерно распределенных нанопор, которые могут эффективно адаптироваться к изменению объема и обеспечивать массивные каналы диффузии для ионов Li во время зарядки/разрядки. Электрохимические эксперименты показывают, что нанопористый анод Si15Sb15 (np-Si15Sb15) может обеспечить превосходную производительность с удельной емкостью 647,40 мАч g−1 после 90 циклов при плотности тока 100 мА g−1. Этот простой подход может быть в дальнейшем распространен на разработку новых нанопористых материалов, обеспечивая ориентир для массового производства высокоэффективных электрохимических накопителей энергии.

Были описаны вред и лечение метиловым синим (МБ), а также объяснена необходимость удаления МБ с помощью магнитных наноматериалов. Магнитные ферриты Ni–Mg–Co были получены методом быстрого сжигания активного раствора нитрата и охарактеризованы с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD), сканирующего электронного микроскопа (SEM), инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR), энергодисперсионной спектроскопии и вибрационного магнитометра для образцов. Магнитные наночастицы Ni0.1Mg0.7Co0.2Fe2O4, полученные при температуре 400°C с намагниченностью насыщения 19,7 эме г−1 и средним диаметром около 15,2 нм, использовали для адсорбции MB из водной среды. Анализ Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) показал, что удельная площадь поверхности составляла 143,17 м2 г−1, а средний размер пор составлял 9,44 нм. Был изучен механизм адсорбции MB на магнитных наночастицах Ni0.1Mg0.7Co0.2Fe2O4, и результаты показали, что адсорбционные свойства соответствуют модели кинетики псевдо-второго порядка из-за значений квадратического отклонения (R2 > 0,98), и модель Темкина может описывать состояние адсорбции MB на Ni0.1Mg0.7Co0.2Fe2O4 наночастиц, что позволило предположить, что адсорбция MB на наночастицах Ni0.1Mg0.7Co0.2Fe2O4 происходит по механизму монослой–многослойной гибридной хемосорбции. Когда значение рН превышало 3, адсорбция достигала большого значения; в то время как адсорбционная способность составляла 97,6% от первоначального значения адсорбции в течение семи циклов. Были определены кривые электрохимической импедансной спектроскопии и циклической вольтамперометрии МБ, адсорбированного на наночастицах до и после адсорбции.

Молекулярное моделирование является отличным инструментом для изучения адсорбции и диффузии в нанопористых материалах. Примерами нанопористых материалов являются цеолиты, углеродные нанотрубки, глины, металлоорганические каркасы (MOF), ковалентно-органические каркасы (COFs) и цеолитные имидазолатные каркасы (ZIFs). Молекулярное удержание, обеспечиваемое этими материалами, используется в адсорбции и катализе уже почти 50 лет. Молекулярное моделирование обеспечило понимание лежащей в основе селективности формы, а также эффектов адсорбции и диффузии. Во многом надежность прогнозов моделирования зависит от точности и переносимости силового поля. Однако гибкость и химическое и структурное разнообразие движений создают значительные трудности для создания силовых полей, способных воспроизводить экспериментально наблюдаемые структурные и динамические свойства. Рассматриваются последние разработки в области проектирования, параметризации и внедрения силовых полей для MOF и цеолитов.

Предложена модель поверхностного димера, образованного путем соединения поглощающего атома и поверхностного атома подложки ковалентной связью. Эта модель используется для расчетов переноса заряда между атомами димера и между димером и графеновой подложкой. Тщательно изучены эффекты кулоновского и электрон-фононного взаимодействия на перенос заряда. Рассмотрена роль диполь-дипольного отталкивания и обменных взаимодействий между атомами. Кратко обсуждается адсорбция на эпитаксиальном графене.

Данная работа посвящена адсорбции ионов железа (III) сополимером стирола с малеиновым ангидридом (MASC), модифицированным 2-амино-4,6-дисульфокислотой. В ходе исследований изучалось влияние рН, времени, необходимого для достижения максимальной адсорбционной способности, ионной силы и первичной концентрации ионов железа (III). Результаты показали, что максимальная адсорбционная способность сорбента по отношению к ионам железа составляет 373,31 мг/г при рН=5. Равновесные концентрации ионов железа (III) в растворе устанавливали с использованием 2,2'-([1,1'-бифенил]-4,4'-диилбис(диазен-2,1-диил)бис(бензол-1,3,5-триола) C18H18O6N4 (R) в качестве реагента. Поглощение растворов измеряли на KFK-2 при l= 1 см при Xmax=490 нм. Закон Бира соблюдался в диапазоне 0,0560,12 мкг/г. Были изучены различные изотермы адсорбции и кинетические модели. Было обнаружено, что модель Ленгмюра наилучшим образом объясняет текущий процесс адсорбции, а кинетическая модель псевдо-второго порядка наилучшим образом согласуется с результатами. Структуру адсорбента изучали методом ИК-спектроскопии на фурье-спектрометре Varian 3600 в области от 400 до 4000 см-1. Результаты исследования были сопоставлены с литературными данными.

Соответствующие катионные формы образцов монтмориллонита, взятых из месторождения бентонита Агдере, были получены путем обработки их солями Co2+ и Ni2+. Природу и количество кислотных центров, образовавшихся на поверхностях полученных образцов, изучали путем адсорбции ацетона дериватографическим методом. Критический диаметр молекулы ацетона равен d = 5,6 A0 и pka = -7,2. Анализ дериватограмм показывает, что потеря массы изменяется в зависимости от ионного радиуса, природы и температуры катионного обмена следующим образом: Co2+ mont> Ni2+ mont> природный mont. На основании проведенного исследования было установлено, что на поверхности сорбента имеются слабые, средние и сильные электроноакцепторные центры, которые различаются энергетически. Эндотермический эффект, наблюдаемый на кривой DTA в диапазоне температур 219,3-566,30°C, характеризует физическую адсорбцию молекулы ацетона на поверхности образца монтмориллонита. Эффекты, наблюдаемые при 706,9 и 775,70°C, характеризуют участки сильной кислоты. Количество электроноакцепторных центров, образующихся на поверхности монмориллонита, изменяется в зависимости от заряда катионообменников. Количество электроноакцепторных центров, образующихся на поверхности Co2+ бентонита, выше, чем в других образцах. Были рассчитаны количество (а.ммоль.г) и энергия десорбции (Е, кДк, моль-1) молекулы ацетона, десорбированной из активных центров в различных температурных диапазонах. Было определено, что наиболее способным адсорбировать молекулы ацетона является Co2+-монтимориллонит, который может быть использован в качестве сорбента для предотвращения загрязнения окружающей среды ацетоном. Соответствующие катионные формы образцов монтмориллонита, взятых из месторождения бентонита Агдере, были получены путем обработки солями Co2+ и Ni2+. Природу и количество кислотных центров, образовавшихся на поверхностях полученных образцов, изучали путем адсорбции ацетона дериватографическим методом. На основании проведенного исследования было установлено, что на поверхности сорбента имеются слабые, средние, сильные электроноакцепторные центры, которые различаются энергетически. Количество (а.ммоль.\g) и рассчитана энергия десорбции (E, кДк, моль-1) молекулы ацетона, десорбированной из активных центров в различных температурных диапазонах. В результате исследований было установлено, что наиболее способной адсорбировать молекулы ацетона является Co2+-форма монтимориллонита, которая может быть использована в качестве сорбента для предотвращения загрязнения окружающей среды ацетоном.

Проводящие структуры, напечатанные на 3D-принтере, очень привлекательны благодаря их огромному потенциалу для настраиваемых электронных устройств. В то время как традиционная 3D-печать металла требует высоких температур для спекания металлических порошков или полимерно-металлических композитов, процессы с низкой или комнатной температурой будут выгодны для нанесения нескольких материалов и интеграции оптоэлектронных приложений. Здесь технология цифровой обработки света и струйная печать сочетаются в качестве эффективной стратегии для изготовления индивидуальных 3D-проводящих структур. При таком подходе в качестве подложки, на которую наносятся чернила Ag на основе наночастиц, используется нанопористый полимерный материал с трехмерной печатью (NPo). Измерения методом СЭМ и рентгеновской нанокомпьютерной томографии (nanoCT) показывают, что пористая морфология первозданного NPo сохраняется после нанесения и отжига чернил Ag. За счет оптимизации условий осаждения при отжиге при температурах до 100°C получаются проводящие структуры с сопротивлением листа <2 Ом кв.м−1. Наконец, исследована интеграция фотоприемника, напечатанного струйной печатью, на основе активного слоя органического полупроводника на подложке NPo. Таким образом, демонстрируется потенциал этого подхода для аддитивного производства функциональных оптико-электронных устройств, напечатанных на 3D-принтере.

Одноатомные катализаторы привлекли большое внимание благодаря своей уникальной атомной структуре и необычайной активности в катализе химических реакций. Однако отсутствие общих и эффективных подходов для получения одиночных атомов высокой плотности на соответствующим образом подобранных поддерживающих матрицах препятствует их промышленному применению. Здесь сообщается о стратегии быстрой закалки расплава с высокой производительностью для синтеза одиночных атомов с высокой концентрацией атомов металла до 9,7 мас.% или 2,6 ат.% для нанопористых соединений металлов, что представляет собой многократные улучшения по сравнению с контрольными показателями в литературе. Характеристики механизма показывают, что высокотемпературное плавление обеспечивает необходимую жидкую среду и энергию активации для достижения распыления металлов, в то время как последующая быстрая закалка связывает изолированные атомы металла и стабилизирует координационную среду. По сравнению с одноатомными катализаторами на углеродной основе, используя эту стратегию, можно синтезировать различные комбинации взаимодействия одиночных атомов и нанопористых соединений металлов, достигая, таким образом, эффективного получения H2 при окислении гидразина. Этот протокол синтеза в высокой степени совместим с автоматическим режимом работы, что обеспечивает осуществимый и общий путь разработки и производства конкретных одноатомных катализаторов с настраиваемыми атомарными металлическими компонентами и поддерживающими матрицами, способствуя тем самым внедрению одноатомных катализаторов для различных применений в энергетических технологиях.

Эволюция нанопористой структуры цилиндрических образцов спеченного серебра при высокотемпературном старении в диапазоне от 200 до 350°C в течение 350 мин изучается с помощью компьютерной рентгеновской томографии in situ. Исследования проводятся для двух типов образцов: чистого спеченного серебра и образцов, содержащих границу раздела серебро-медь. Показано, что общая эволюция пор обусловлена эволюцией очень небольшого числа крупных пор. Поры меньшего размера, хотя и более многочисленны, на самом деле не развиваются до тех пор, пока не будут поглощены несколькими более крупными. В чистом серебре образование пор обусловлено диффузией (созревание по Оствальду), но наличие границы раздела способствует ускорению кинетики роста до тех пор, пока время выдержки не достигнет порогового значения, после чего происходит отклонение от созревания по Оствальду. Переход зависит от температуры старения. Такое поведение связано с конкуренцией между упругой релаксацией и минимизацией поверхностной энергии.

Наночастицы вызвали огромный исследовательский интерес благодаря их хорошо известным характеристикам, таким как высокая удельная поверхность, минимальное воздействие на окружающую среду, легкость модификации поверхности и низкая растворимость в воде. В результате такие материалы были эффективно использованы для удаления токсичных ионов металлов из сточных вод. Их адсорбционный потенциал был дополнительно улучшен за счет модификации их поверхностей различными способами. В одной из таких попыток мы успешно синтезировали магнетит и модифицировали его поверхность углеродом, используя метод карбонизации глюкозой. Синтезированный композит из магнетита с углеродным покрытием (Mag@C) был охарактеризован с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), и результаты были дополнительно подтверждены энергодисперсионной рентгеновской спектрометрией (EDX), сканирующей электронной микроскопией (SEM), термогравиметрическим анализом (TGA), Zetastudies и рентгеновской дифракцией методы, подобные кристаллографии (XRD). Были исследованы адсорбционные свойства Mag@C для удаления ионов Cd2+ и Pb2+, где были получены многообещающие показатели адсорбции по отношению к ионам этих металлов с максимальной адсорбционной способностью 127,3 мг/г и 103 мг/г для ионов Cd2+ и Pb2+, соответственно. Материал также был исследован на предмет его противогрибковых свойств в отношении Aspergillus niger и Penicillium notatum, двух токсичных видов грибов, и были отмечены хорошие фунгицидные свойства композитного материала. Одновременное применение Mag@C делает его полезным материалом в процессе очистки сточных вод.

Нанопористые материалы, используемые в промышленности (например, в катализе и разделении), обладают функциональными свойствами на наноуровне (1-10 Å). При придании этим твердым веществам технической формы обнаруживаются пространственные различия в одних и тех же свойствах в гораздо большем масштабе длины (1 мкм–1 см). Многомасштабная характеристика этих систем ухудшается из-за компромисса между размером выборки и разрешением изображения, который связан с использованием большинства методов визуализации. Здесь мы показываем применение рентгеновской компьютерной томографии для неинвазивной пространственной характеристики слоя адсорбента из цеолита/активированного угля в масштабе трех порядков. Благодаря уникальному сочетанию изотерм адсорбции газа, измеренных локально, и их интерпретации с помощью физико-адсорбционного анализа мы определяем трехмерные карты удельной площади поверхности и объема микропор. Кроме того, мы используем машинное обучение для идентификации и определения местоположения материалов в упакованном слое. Эта новая способность выявлять степень неоднородности технических пористых твердых тел позволит глубже понять их назначение в промышленных реакторах. Такие разработки необходимы для преодоления разрыва между исследованиями материалов и проектированием технологических процессов.

Был разработан метод золь–гель полимеризации для получения наночастиц полиимида (PI) силсесквиоксана (SSQ) в качестве функциональных мягких диэлектрических материалов. Поверхностная функционализация основной части полимерной цепи и концов цепей поли (хлорид тримеллитового ангидрида-со-4,4'-метилендианилина), смолы PMR-15, пара-(хлорметил)-фенилэтилтриметоксисиланом привела к получению нового функционализированного предшественника PMR–силана с золь-гель реакционноспособными участками. При катализируемом основанием гидролизе и конденсации предшественника PMR-силана были получены сферические наночастицы PMR-SSQ, похожие на малину, со значительно хорошим выходом. Регулирование распределения частиц по размерам пытались осуществлять путем регулирования молярного соотношения между силановым предшественником и основанием, а также в присутствии каталитического количества золей кремнезема. Состав частиц, термостабильность и морфология были подтверждены с помощью инфракрасного преобразования Фурье, термогравиметрического анализа и сканирующей электронной микроскопии. Наночастицы, визуализируемые с помощью просвечивающей электронной микроскопии, имеют нанопористую структуру. Анализ Брунауэра–Эммета–Теллера подтвердил, что средний размер пор колеблется от 2 до 5 нм. Диэлектрическая проницаемость наночастиц PMR-SSQ составляла всего 1,95 по сравнению с диэлектрическими постоянными 3,05 и 3,13 для PMR-15 и PMR-силана соответственно. Таким образом, катализируемая основанием золь-гель полимеризация алкоксисилилированного PI предлагает новый синтетический путь для получения функциональных нанопористых PI–наноструктур, обладающих сверхнизкими диэлектрическими постоянными.

Исследована сравнительная адсорбционная способность графенового аэрогеля и активированного кокосового угля в процессе удаления основного катионного синтетического красителя, метиленового синего (MB), из водных растворов с начальной концентрацией 150 мг/л. Характеристики нового материала были определены с помощью сканирующей электронной микроскопии, термогравиметрии и рамановской спектроскопии. Установлены значения адсорбционной способности графенового аэрогеля - 420 мг/г и активированного угля - 205 мг/г. Время насыщения в присутствии графенового аэрогеля составляло 7 мин. Экспериментальные данные были обработаны с использованием кинетических моделей - псевдо-первого и псевдо-второго порядка, Еловича и внутричастичной диффузии. Согласно полученным результатам, графеновый аэрогель является перспективным сорбционным материалом при извлечении молекулярных органических загрязнителей, а именно синтетических красителей, демонстрирующим высокую эффективность удаления целевых загрязнителей.

Вода, являющаяся наиболее важным компонентом жизни, загрязняется из-за бесчеловечного обращения с токсикантами в водоемах. Органические соединения, такие как красители, фармацевтические препараты, пестициды и т.д., используются для различных целей и становятся опасными для жизни при сбросе в водоемы без предварительной обработки. Удаление этих токсикантов из окружающей среды является сложной задачей, но крайне необходимой для устойчивого развития. Для этой цели использовались различные методы, среди которых адсорбция является наиболее простым, быстрым, эффективным и недорогим методом удаления таких загрязнений. Наноматериал зарекомендовал себя как один из лучших адсорбентов благодаря своим уникальным структурным свойствам, которые обеспечивают большую площадь поверхности и высокую адсорбционную способность. Подробно обсуждаются факторы, влияющие на адсорбцию, а также механизм адсорбции. Обнаружение загрязняющих веществ также является довольно утомительной работой, поскольку загрязняющие вещества присутствуют в ничтожных количествах. УФ-видимая спектрофотометрия - широко используемый метод обнаружения, который прост в эксплуатации, дает точные результаты и дешев. В обзоре особое внимание уделяется использованию наноматериалов в качестве адсорбентов для удаления различных органических загрязнителей из сточных вод с помощью УФ-видимой спектрофотометрии.

Хотя TiNb2O7 рассматривается как материал для анодирования литий-ионных аккумуляторов с быстрой подзарядкой (LIB), присущая TiNb2O7 плохая электрохимическая кинетика по-прежнему существенно препятствует его разработке. В настоящем документе предлагается стратегия легирования с помощью ионотермического синтеза для получения нового материала TiNb2O7, легированного W6+ (Ti0.95W0.05Nb2O7) с нанопористой структурой (обозначается как NPTWNO). Улучшенный коэффициент диффузии Li+ в NPTWNO позволяет предположить, что нанопористая архитектура с использованием ионной жидкости улучшает кинетику диффузии Li+. Вычислительное исследование теории функционала плотности показывает, что легированный W6+ успешно повышает электронную проводимость из-за сужения запрещенной зоны проводимости в результате перераспределения заряда, что отражается данными спектроскопии электрохимического импеданса. Благодаря одновременному повышению коэффициента диффузии Li+ и электронной проводимости NPTWNO обеспечивает быструю подзарядку в LIBs. Таким образом, эта работа указывает на потенциал стратегии легирования материалов для накопления энергии с помощью ионотермического синтеза и предлагает материал NPTWNO с многообещающими электрохимическими характеристиками.

В этом исследовании были синтезированы и использованы в качестве адсорбента для удаления ионов арсената (As(V)) из воды с помощью механизмов адсорбции два типа новых гибридных наноматериалов, то есть оксид графена-феррит марганца (GMF) и нанотрубка диоксида титана-феррит марганца (TMF). Синтезированные наноматериалы были охарактеризованы различными методами перед использованием в процессе адсорбции. Периодические исследования адсорбции показали, что максимальные адсорбционные способности GMF и TMF по отношению к As(V) составляют 102,0 и 80,8 мг г−1 соответственно при испытании с использованием раствора питательной воды, содержащего 400 частей на миллион As(V).

Нанопористый монокристаллический карбид кремния (SiC) широко используется в различных областях применения, таких как диализ белков, в качестве носителя катализатора и в фотоанодах для фотоэлектрохимического расщепления воды. Однако изготовление наноструктурированного SiC является сложной задачей из-за его чрезвычайной химической и механической стабильности. Это исследование демонстрирует высокоэффективный метод электролитического химического травления с использованием плазмы открытого контура (EPACE) без агрессивных фторсодержащих реагентов. Метод EPACE позволяет осуществлять наноструктурирование SiC с помощью микроинструмента, покрытого плазмой, проходящего по материалу мишени в ванне с электролитом. Благодаря разработке технологического процесса EPACE легко создает однородный нанопористый слой на пластине из 4H-SiC в водном растворе KOH с регулируемым диаметром пор в диапазоне 40-130 нм. Диагностика плазмы с помощью оптической эмиссионной спектрометрии (OES) и микроанализа поверхности показывают, что EPACE создает нанопористую структуру путем электролитического окисления с помощью плазмы и последующего термохимического восстановления оксида. Увеличение напряжения или уменьшение промежутка травления усиливает действие плазмы и повышает эффективность травления. Максимальная скорость и глубина травления достигают 540 нм мин−1 и 10 мкм соответственно, что демонстрирует значительный потенциал этого подхода как экономящего время и устойчивого метода нанопроизводства для промышленного применения. Кроме того, продемонстрирована эффективность изготовленной нанопористой структуры SiC для применения в фотоэлектрохимическом расщеплении воды.

Контроль размеров элементов трехмерных двунаправленных нанопористых материалов (3DNP) необходим для их перспективного применения в катализе, сенсорике, энергетических системах и т.д., требующих высокой удельной поверхности. Однако присущее нанопористым материалам укрупнение естественным образом снижает их поверхностную энергию, что со временем приводит к ухудшению физических свойств даже при температурах окружающей среды. Новый материал 3DNP, превосходящий универсальную зависимость термического огрубления, представлен в конструкции из высокоэнтропийного сплава (HEA). В недавно разработанных HEAS TiVNbMoTa 3DNP нанопористая структура создается за счет очень тонких наноразмерных связей фазы твердого раствора благодаря повышенной стабильности фазы за счет максимизации энтропии конфигурации и подавления поверхностной диффузии. Наименьший размер 3DNP HEA, синтезированного при 873 К, составляет около 10 нм, что на порядок меньше, чем у обычных пористых материалов. Что еще более важно, предел текучести связки из 3DNP HEA приближается к теоретической прочности соответствующего сплава HEA, равной G/2π, даже после термического воздействия. Это открытие указывает на ключевое преимущество высокоэнтропийного проектирования нанопористых материалов - исключительную стабильность физических свойств, зависящих от размера. Таким образом, эта высокоэнтропийная стратегия должна открыть новые возможности для разработки сверхстабильных наноматериалов по отношению к окружающей среде.

Недавно появилось сообщение о существовании твердоподобной адсорбции H2 в нанопористых материалах. Здесь мы использовали моделирование методом большого канонического Монте–Карло (GCMC) на серии металлоорганических каркасов с каналами 1D и 3D, чтобы исследовать ограничения подхода, основанного на моделях, при оценке адсорбционной способности H2. С помощью вычислений было предсказано избыточное поглощение водорода несколькими структурами с размерами пор в диапазоне от 5 до 37 Å. Объем пор и плотность поглощенного H2 были получены путем подгонки уравнения Тота к данным изотермы избытка H2, полученным в результате моделирования. Результаты были сопоставлены с данными, полученными в результате прямого моделирования. Анализ чувствительности показывает, что объем пор и плотность адсорбированного H2, предсказанные на основе подгонки на основе модели, недостаточно точны для оценки плотности адсорбированного H2 и объема пор, особенно для материалов с каналами 1D.

Долговременная химическая стойкость боросиликатных стекол, которая делает их широко используемой формой утилизации ядерных отходов, достигается за счет образования пористого слоя алюмосиликатного геля, который обеспечивает пассивность и ограничивает перенос воды к фронту реакции. Таким образом, детальное понимание слоя пористого силикатного геля имеет решающее значение для выяснения механизма коррозии этих стекол и разработки новой композиции стекла для иммобилизации отходов и других применений. В этой статье мы используем реактивный потенциал диффузного заряда для создания пористых структур из алюмосиликатного стекла с композициями, эквивалентными гелевым слоям, образующимся на границе раздела стекло-вода, с целью понять влияние условий обработки на микроструктуру и атомную структуру этих систем. Мы демонстрируем, что использование методов масштабирования заряда является эффективным подходом к созданию этих пористых структур с контролируемой структурой пор. После первоначальной проверки потенциалов и структур из алюмосиликатного стекла кальция с использованием нейтронной дифракции мы создали гелевые структуры с составами, аналогичными хорошо известным модельным боросиликатным стеклам из ядерных отходов. Пористость и распределение пор по размерам сильно зависят от температуры обработки, а также от локальной атомной структуры. Таким образом, контролируя параметры обработки, можно настроить полученные пористые структуры таким образом, чтобы они были очень похожи на гелевые структуры из-за коррозии боросиликатного стекла. Эти результаты дают представление об особенностях микро- и атомной структуры пористых алюмосиликатных стекол и об оптимальной процедуре создания пористых структур, которые могут быть сопоставимы с экспериментально наблюдаемыми структурами слоя геля, что позволяет уточнить корреляции между структурой и явлениями взаимодействия стекла с водой.

Нанопористые материалы (NPM), полученные методом легирования, получили широкое признание в качестве многофункциональных электродов для литий-ионных аккумуляторов (LIBs). В последние годы постоянно возрастают требования к сетевым накопителям энергии, состоящим из элементов, распространенных на Земле, таких как Na, K, Mg, Al и Zn. По сравнению с LIBs, эти электрохимические элементы сталкиваются с критическими проблемами, такими как медленная кинетика окислительно-восстановительных реакций и структурная нестабильность из-за большого размера ионов и/или многоэлектронного процесса. Большой интерес был сосредоточен на НПМ, которые с большим успехом решают эти проблемы. В этом мини-обзоре обсуждается недавний прогресс в исследованиях этих новых электродных материалов для появляющихся постлитиевых аккумуляторов, включая рациональный дизайн NPM, соотношение структуры и производительности в каждой аккумуляторной системе, а также представление о будущем развитии этой быстрорастущей области.

Метод колонки нулевой длины (ZLC) часто использовался для измерения эффективной диффузионной способности молекул-гостей в нанопористых кристаллических материалах. Недавние исследования показали, что массовый перенос молекул-гостей может происходить либо за счет внутрикристаллической диффузии, либо за счет поверхностных барьеров. Прямое количественное определение коэффициента внутрикристаллической диффузии и поверхностной проницаемости молекул-гостей. следовательно, это важно для понимания массопереноса и, таким образом, оптимизации конструкции нанопористых кристаллических материалов. В этой работе мы расширили метод ZLC, основанный на полученном теоретическом выражении скорости десорбции, чтобы отделить поверхностные барьеры и внутрикристаллическую диффузию от эффективной диффузии молекул-гостей в нанопористых материалах. Для проверки эффективности этого метода были экспериментально измерены коэффициенты диффузии этана, пропана и н-пентана в САПО-34 и бета-цеолитах.

Разделение биомолекул играет жизненно важную роль в последующих приложениях, начиная от структурного анализа и очистки лекарственных средств и заканчивая клинической диагностикой. Среди всех существующих материалов и технологий разделения биомолекул ведущее место занимают нанопористые материалы. Для достижения эффективного разделения биомолекул поверхность раздела нанопористых материалов всегда модифицируется монослоем, содержащим определенные функциональные группы. Однако стратегия модификации монослоя по-прежнему сталкивается с узкими местами из-за чрезвычайно низкого содержания биомолекул-мишеней, сильной интерференции со стороны фоновых биомолекул с высоким содержанием, сходных характеристик соединений, неспецифической адсорбции и др. Недавно появились сообщения о нескольких новых нанопористых материалах, которые получают без процесса модификации монослоя, для высокоэффективного, высокоспецифичного и быстрого разделения биомолекул. В этом обзоре авторы обобщают появляющиеся нанопористые материалы для разделения биомолекул, уделяя основное внимание принципу конструкции и производительности разделения, которые отличаются от классических нанопористых материалов. Сначала обсуждается классическая дизайнерская стратегия модификации монослоя и представлен недавний прогресс в этом аспекте. Затем вводятся новые нанопористые материалы, не поддающиеся модификации монослоем. Наконец, обсуждаются будущие разработки, проблемы и большие перспективы нанопористых материалов для разделения биомолекул.

Слияние наночастиц металлов в коллоидных растворах является универсальным и вездесущим явлением. Используя это поведение, разработан простой, но эффективный способ, который позволяет самопроизвольно превращать металлы микропористых размеров в нанопористые структуры в специальных растворителях-электролитах. Критерии выбора растворителей и аналогичных металлов, подходящих для создания нанопористых структур, выведены на основе классической теории кислотно–щелочных реакций и квантовой химии, основанной на теории функционала плотности. При использовании разработанного способа изготовления анодов для Na-ионных аккумуляторов аноды, изготовленные с использованием частиц Sn, Pb, Bi и CuS микроскопического размера, сохраняют 592, 423, 383 и 546 мАч г−1, соответственно, при 10°C с циклическим сроком службы 3000-6000 циклов. Это исследование обеспечивает фундаментальную основу для выбора растворителей для создания недорогих анодов с большой производительностью, длительным сроком службы и отличными эксплуатационными характеристиками. Более того, полученные результаты могут быть распространены на другие функциональные материалы, которые могут использовать свои большие удельные площади поверхности.

Исследовано влияние нанопористой структуры на каталитическую активность палладиевых катализаторов для гидрирования нитросоединений. Порядок каталитической активности шести типов полученных нанопористых палладиевых катализаторов (PdNPore) был очень похож на порядок их удельной поверхности. По сравнению с другими катализаторами, синтезированными в этом исследовании, катализатор PdNPore (Pd86Al14) с размером связки 20 нм и удельной площадью поверхности 40,81 м2 г−1 проявлял относительно высокую активность. Реакции гидрирования различных нитросоединений протекали гладко с хорошей переносимостью функциональных групп в присутствии этого катализатора PdNPore в мягких условиях. Более того, катализатор PdNPore можно было бы просто извлечь и повторно использовать несколько раз без какой-либо потери активности.

Материаловедение и химия сыграли центральную и значительную роль в развитии общества. Ожидается, что с переходом к устойчивому образу жизни разработка функциональных материалов будет по-прежнему иметь жизненно важное значение для поддержания жизни на нашей планете. В последние десятилетия в материаловедении и химии был достигнут быстрый прогресс благодаря достижениям в области экспериментальных, аналитических и вычислительных методов, что позволило создать несколько новых и полезных материалов. Однако большинство проблем, связанных с разработкой материалов, очень сложны. Здесь обсуждается наилучшая стратегия разработки функциональных материалов путем реализации трех ключевых концепций: нанотехнология как способ изменить правила игры, наноархитектоника как интегратор и информатика материалов как суперускоритель. Представлены обсуждения с концептуальной точки зрения и примеры последних разработок, в основном связанных с нанопористыми материалами. Ожидается, что объединение этих трех стратегий откроет передовые пути для быстрого проектирования и исследовательского поиска функциональных материалов, действительно полезных для решения реальных задач. Эти новые стратегии приведут к эволюции нанопористых функциональных материалов.

Было сконструировано и собрано электрохромное устройство с полученным нанопористым наночастицей NiO/ZnO в качестве рабочего электрода. Нанопористая наночастичная пленка NiO/ZnO с трехмерной структурой была получена на стеклянной подложке из оксида индия и олова (ITO) двухэтапным способом, сочетающим метод химического осаждения в ванне с гидротермальным методом. Нанопористый наночастичный электрод NiO/ ZnO демонстрирует заметное улучшение электрохромности по сравнению с нанопористым NiO, включая более высокую оптическую модуляцию (81 %), более высокую эффективность окрашивания (78,5 см2 C−1), более быстрое время отклика (2,6 и 9,7 с для окрашивания и отбеливания соответственно) и благоприятную долговечность. производительность. Такие улучшения в основном объясняются трехмерными структурами нанопористого NiO, нанесенного на наночастицу ZnO, а именно: 1) однородный гексагональный наночастица ZnO загружает больше нанопористого NiO, 2) нанопористый NiO, сшитый с наностержнями ZnO, обеспечивает свободную морфологию межпространственного пространства, 3) более сильная адгезия между наностержнями ZnO и ITO, покрытыми наностержнями ZnO. Затравка ZnO, 4) сердцевина–оболочка и сшитые структуры способствуют проникновению электролита, и 5) соответствующие запрещенные зоны улучшают перенос заряда.

ЛОС (летучие органические соединения) представляют серьезную проблему на промышленных предприятиях, особенно в Китае. Среди ЛОС толуол является распространенным и токсичным веществом. Адсорбция выделяющегося толуола является интересным и очень важным аспектом для сохранения окружающей среды и помогает компаниям соответствовать высоким экологическим стандартам. Цеолиты обладают высокой адсорбционной способностью и могут быть использованы для улавливания ЛОС. Цеолит типа FAU (Y) особенно хорошо подходит для этой цели благодаря идеальному размеру микропор для адсорбции толуола. В этой статье мы предлагаем найти ответ на вопрос, который ранее не изучался: как в пределах одной группы цеолитов изменяется эффективность адсорбционной способности толуола, если мы создаем переменную мезопористость? Мы протестировали адсорбционную способность цеолитов двумя способами. Сначала все образцы были протестированы на предмет их общей адсорбционной способности в безводных условиях. После отбора лучших образцов были проведены дополнительные испытания адсорбционной способности толуола во влажных условиях. Таким образом, были проверены гидрофильные способности, или, другими словами, способность продолжать улавливать толуол, несмотря на присутствие водяного пара. Такие условия тестирования приближают лабораторный подход к реальной ситуации на заводе, где, очевидно, идеальных условий не существует. Согласно результатам этой работы, наилучшей адсорбционной способностью толуола обладает цеолит с примерно равным соотношением микро- и мезопор. Мезопоры обеспечивают высокую диффузию толуола внутри кристалла цеолита, а размер микропор Y-цеолита идеально подходит для улавливания молекул толуола.

Адсорбция органических соединений на графитированной термической саже и адсорбентах типа МСМ-41, модифицированных супермолекулярными структурами меламина и циануровой кислоты.

Представлена концепция комплексной переработки хлорзамещенных углеводородов, включающая каталитическое разложение 1,2-дихлорэтана на сплавах Ni-M с получением углеродного наноматериала (УНМ), который может служить в качестве эффективного сорбента для адсорбционной очистки воды от 1,2-дихлорбензола. В работе синтезирована и исследована серия микродисперсных сплавов Ni-Pd (5%) и Ni-Mo (5%). Образцы изучены в качестве катализаторов в реакции разложения паров C2H4Cl2 при 600°С с получением углеродного наноматериала. Показано, что добавление 5% второго металла к никелю способствует увеличению выхода углеродного наноматериала с 20.1 до 25.4 (Ni-Pd) и 31.8 гУНМ∙г-1кат (Ni-Mo). По данным электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния, углеродный продукт представлен нановолокнами сегментированной структуры, состоящими из плохо упорядоченной фазы графита. Удельная поверхность углеродного наноматериала составила 230-280 м2∙г-1. Полученные образцы УНМ/Ni, УНМ/Ni-Pd и УНМ/Ni-Mo испытаны в качестве адсорбентов, использующихся для очистки воды от растворенного 1,2-дихлорбензола (с0 = 73-880 мкмоль∙л-1) в режиме статической адсорбции. Построены изотермы адсорбции 1,2-дихлорбензола и установлено, что степень заполнения поверхности образцов углеродного наноматериала адсорбатом при достижении равновесного состояния составляет 43-47%, что более чем в 2 раза превышает эффективность использования активного угля АГ-2000 (SБЭТ = 1230 м2∙г-1).

В работе представлены результаты исследования гидрофобизированного силикагеля Fluka 100 C8 + С1 с дополнительным химическим модифицированием поверхности однозвенным алкилсиланом. Материал был исследован методами низкотемпературной сорбции азота и жидкостной порометрии, в том числе дополнительными методиками жидкостной порометрии. Приведены результаты исследования системы без дополнительного модифицирования. Все результаты исследований представлены для трех температур: 20, 40, 60°С. Показано, что дополнительное химическое модифицирование позволяет увеличить долю вытекающей из пор жидкости с увеличением температуры с сохранением значительной доли не вытекшей жидкости при нормальных условиях. Из полученных результатов следует, что путем дополнительного модифицирования возможно управление процессом временнóй релаксации несмачивающей жидкости в пространстве нанопористой среды.

Адсорбция летучих органических соединений на углеродном адсорбенте, модифицированном бислоями "жидкий кристалл - β-циклодекстрин".

Адсорбция молекулярного водорода на алюмофосфатных и алюмосиликатных цеолитах: определения потенциала межмолекулярного взаимодействия для расчета структурных параметров и адсорбционных свойств.

На поверхности нанопористого силикатного стекла под действием остросфокусированного лазерного излучения с длиной волны 515 нм и длительностью 300 фс сформированы периодические наноструктуры с периодом ~ 100-150 нм, визуализированные методом сканирующей электронной микроскопии. Спектроскопия отражения/пропускания полученных наноструктур в видимом диапазоне обнаруживает их антиотражающий эффект.

Рассмотрено выполнение условия самосогласованности описания скоростей адсорбции и десорбции диссоциирующихся молекул пара на шероховатой поверхности адсорбента (равновесной и закаленной из равновесного состояния). Процесс адсорбции вызывает перестройку равновесной приповерхностной области адсорбента, но не меняет состояние закаленной поверхности. Скорости адсорбции–десорбции рассчитаны с учетом взаимодействия ближайших соседей в квазихимическом приближении. Рассмотрены четыре модели описания неоднородной структуры поверхности: исходная усредненная полислойная модель с разными типами центров адсорбции (и константами Генри), содержащая все доступные для адсорбции центры, и три типа ее усреднения. Первый тип усреднения связан с переходом к однослойной неоднородной поверхности, содержащей разные типы центров адсорбции с отличающимися константами Генри, второй – с переходом на совокупность эффективных однородных монослоев в полислойной переходной области, а третий – с переходом к однослойной эффективной однородной модели поверхности. Условие самосогласования выполняется в последних двух типах усреднения и нарушается в первом типе усреднения, а также в усредненной модели с учетом различий разных типов центров. Установлено, что состояние неоднородной поверхности (равновесное или закаленное) не влияет на самосогласованность описания скоростей адсорбции и десорбции в последних двух типах моделей. Показано влияние учета эффектов корреляции взаимодействия частиц на условие самосогласованности. Пренебрежение эффектами корреляции взаимодействующих частиц приводит к нарушению условия самосогласования во всех моделях.

Рассмотрено выполнение условия самосогласованности описания скоростей адсорбции и десорбции недиссоциирующихся молекул на шероховатой поверхности аэрозоля. Скорости рассчитаны с учетом взаимодействия ближайших соседей в квазихимическом приближении. Проанализированы четыре типа моделей, одна из которых описывает исходную распределенную неоднородную поверхность, а остальные три являются ее усреднениями: по числу монослоев (с переходом к однослойной неоднородной поверхности), и по типам центров адсорбции с разными константами Генри (с переходом на эффективный однородный монослой в полислойной переходной области), либо одновременно по числу монослоев и типам центров адсорбции (с переходом к однослойной однородной поверхности). Выделены типы моделей, для которых условие самосогласования выполняется строго, и для которых оно нарушено. Дано объяснение наблюдающихся рассогласований. Установлена зависимость степени рассогласования, если оно имеет место, от плотности газа в системе, энергии взаимодействия активированного комплекса и радиуса частиц адсорбента.

Адсорбция энантиомеров аланина из водных растворов на углеродных нанотрубках.

Изучены явления сорбции–десорбции U238 на образцах 2D углеродных наноматериалов, синтезированных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) как из природных, так и технических лигнинов. Для исследования графеновых наноматериалов и лигнинов использованы методы электронной микроскопии, пиролитической хромато-масс-спектрометрии, ИК-фурье-спектроскопии, рентгеновской дифракции, Рамановской спектроскопии и метод низкотемпературной адсорбции–десорбции азота. На основании структурно-химических исследований, результатов изучения поверхностно-пористой структуры образцов и корреляционного анализа впервые установлены основные закономерности процессов адсорбции из водных сред с низкой концентрацией урана. Полученные результаты свидетельствуют о высоком инновационном потенциале 2D углеродных наноматериалов, синтезированных методом СВС.

Мезопористые титаносиликатные структуры, синтезированные золь–гель-методом с использованием цетилпиридиниевого темплата при разных соотношениях Ti/Si, характеризуются высокими значениями удельной поверхности ABET ≈ 800 м2/г и Aext ≈ 900–1000 м2/г, а также свойственной мезопористому молекулярному ситу МСМ-41 формой изотерм физической адсорбции азота с подъемом адсорбционной ветви и участком обратимой капиллярной конденсации при относительном давлении 0.21 < р/р0 < 0.42. Рост значений Ti/Si и рН приводит к снижению дисперсности и площади поверхности образцов. ФТ ИК-спектры подтверждают присутствие титана(IV) в силикатном каркасе. Внедрение титана(IV) влияет на морфологию титаносиликатных образцов и снижает упорядоченность цилиндрических мезопор, присущую МСМ-41.

Методом трехмерной радикальной сополимеризации N-винилпирролидона c диметакрилатом триэтиленгликоля в присутствии разветвленного сополимера как макромолекулярного темплата с функцией порогена получены нанопористые полимерные сетки различного состава. Изучены процессы адсорбции поливинилпирролидона, полиметилметакрилата и полистирола из их смесей в хлороформе нанопористыми полимерными сетками N-винилпирролидона и их десорбции. С помощью гель-проникающей хроматографии и ИК-спектроскопии исследовано молекулярно-массовое распределение и состав смесей ПВП–ПММА и ПВП–ПС до и после адсорбции, а также макрообъектов после десорбции. Показана высокая избирательность нанопористой полимерной сетки адсорбировать поливинилпирролидон из его смеси с неполярным полистиролом.

Работа посвящена изучению адсорбции энантиомеров гистидина углеродными нанотрубками из водного раствора при 25°С. Для описания изотерм использованы модели Ленгмюра, БЭТ и кластерная модель адсорбции. В качестве аминокислот использованы энантиомеры гистидина производителя Sigma Aldrich, в качестве адсорбента - углеродные нанотрубки марки mkNANO MKN-SWCNT S1 (Канада). Построение изотерм осуществлено методом переменных концентраций. При этом использованы методы ультразвукового диспергирования, центрифугирования, спектрофотометрии. Изотермы имеют два плато и относятся к IV типу по классификации IUPAC. Модель Ленгмюра в области первого плато (03) и модель БЭТ для всей области концентраций 03) лишь приближенно согласуются с экспериментальной изотермой. Кластерная модель адсорбции обеспечивает очень хорошее согласование теории и эксперимента (R2=0.996 и R2=0.999). На основе модели кластерной адсорбции показано, что L- и D-гистидин сорбируются на поверхности нанотрубки в форме мономеров и кластеров размерности 13 (L-) и 9 (D-гистидин).

Проведено физико-химическое исследование цис-[Pt(NH3)2Cl2] и цис-[Pt(NH3)2Cl2(OH)2] и изучен процесс иммобилизации комплексов платины на нанопористом углеродном носителе. Определена растворимость цис-[Pt(NH3)2Cl2] в растворе 1 M HCl и рассчитана средняя величина энтальпии растворения: ΔsolH0 = 27.3 ± 0.9 кДж/моль. Экспериментально определена статическая емкость для цис-[Pt(NH3)2Cl2] – 32.9 мг/г (0.17 мг-экв/г) и для цис-[Pt(NH3)2Cl2(ОН)2] – 47.6 мг/г (0.24 мг-экв/г). Установлено, что процесс иммобилизации комплексов платины на окисленной углеродной поверхности происходит за счет взаимодействия карбоксильных групп с амминогруппами комплексов платины. На основании полученных кривых теплоемкостей рассчитана теплота адсорбции для цис-[Pt(NH3)2Cl2] и цис-[Pt(NH3)2Cl2(ОН)2] на окисленной углеродной поверхности – 24.46 и 27.46 кДж/моль соответственно.

Адсорбция и время жизни отрицательных ионов в автоионизационных состояниях.

В статье представлены результаты исследований по производству нановолоконных анизотропных нанопористых материалов на основе фиброина шелка (ФШ) и сополимера акрилонитрила (Cо-Ан) нановолокон в виде тонкого материала. Исследована зависимость анизотропии, характеризующей структурные состояния полученных тонкослойных полимерных материалов, от деформационных воздействий, их сорбционных и фильтрационных свойств. Широкие возможности использования нановолоконных нетканых материалов в качестве нанофильтров и эффективность процесса фильтрации нетканых материалов с увеличением размера их нанопор.

В процессе глобального перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике две основные низкоуглеродные энергетические технологии, а именно хранение метана и улавливание метана, сталкиваются с одной и той же проблемой, а именно с отсутствием эффективных адсорбентов. Углеродные материалы имеют потенциальную ценность в области хранения адсорбированных газов из-за их высокой удельной поверхности, хорошей пористости и регулируемой структуры пор. В этом исследовании нанопористый углеродный материал (НУМ12) был синтезирован с использованием химической активации (KOH) полимерного прекурсора для получения эффективного адсорбента метана. Синтезированный НУМ обладал высокими значениями удельную поверхности по БЭТ (2722 м2/г), общим объемом пор (1.08 см3/г) и объемом микропор (0.89 см3/г). На синтезированном НУМ исследована адсорбция метана при температурах 298.15, 313.15, 323.15 К и давлении до 100 бар. Максимальная величина адсорбции метана на НУМ достигает 14.32 ммоль/г при 298.15 К и 100 бар. Изотермы адсорбции метана на НУМ были проанализированы с использованием моделей Ленгмюра и Фрейндиха на основе экспериментов по адсорбции в интервале температур 298.15-323.15 К. Результаты показывают, что адсорбция метана на НУМ в диапазоне температур и давлений, рассматриваемых в этом исследовании, соответствуют адсорбции Ленгмюра, что подтверждается хорошей корреляцией (значения R2=0.99). Установлено, что средние относительные отклонения между экспериментальными результатами и результатами, полученными с помощью модели Ленгмюра составляют менее 10% Адсорбционная способность НУМ по метану уменьшается с повышением температуры. При 298.15 К изостерическая теплота адсорбции составляет ~15 кДж/моль, что соответствует физической адсорбции метана. Значение изостерической теплоты адсорбции уменьшается с увеличением степени заполнения адсорбатом (метан) поверхности НУМ, что, по-видимому, связано с энергетической неоднородной поверхностью адсорбента по отношению к метану. Молекулы метана первоначально занимают центры с наиболее высокой энергией адсорбции (микропоры). Дальнейший рост адсорбции и уменьшение теплоты связаны с заполнением пор с менее выраженной энергией, а также с нарастанием энергии отталкивания. Данные изотерм адсорбции и термодинамические параметры, оцененные в настоящем исследовании, полезны для проектирования систем хранения газа на основе адсорбции.

Адсорбция метана в микропористых адсорбентах энергонасыщенных адсорбционных систем при высоких давлениях.

Изучены физико-химические свойства радиолюминофора ZnS:Cu, Cl, Бг с содержанием меди 0; 0,01; 0,1 и 0,6 мас. %, синтезированного в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) путем прокаливания шихты в тигле под слоем активированного угля. В качестве дополнительной обработки шихта подвергалась электронно-лучевому модифицированию. Полученные люминофоры отжигались при температуре 650°C. Показано, что исследуемые образцы представляют собой полидисперсные порошки. С изменением концентрации меди изменяются размеры и формы кристаллов порошков люминофора. На кислотно-основное состояние поверхности образцов люминофора, определенное методом рН-метрии и индикаторным методом, влияют как содержание активатора, так и дисперсность образцов. Немаловажными факторами являются: образование при отжиге на поверхности частиц люминофора оксидных соединений ZnO или CuO, выделение дополнительной фазы CuxS в дефектах и на поверхности частиц, различное содержание вюрцитной и сфалеритной фаз. В спектрах фотолюминесценции образцов наблюдаются две полосы - в «зеленой» и «синей» областях спектра, интенсивность которых меняется с изменением содержания меди. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Представлены результаты по получению нанокомпозитных материалов на основе различных типов алюмооксидных нанопористых мембран. Формирование мембран проводилось с применением методики утонения барьерного слоя пористого анодного оксида алюминия, а также методом двухслойного гальваностатического анодирования. Исследования методом атомно-силовой микроскопии показали, что применение методики термического разложения K2MnO4 приводит к формированию на поверхности и в порах мембран наночастиц γ-MnO2 размером ~ 20 нм, а применение методики фотохимического синтеза - наночастиц Ag размером ~ 30 нм.

В статье проведен анализ актуального состояния исследований, посвященных синтезу высокопористых углеродных материалов с максимальной удельной поверхностью. Рассмотрены особенности технологии получения нанопористого углеродного материала, разработанной авторами данной статьи. Установлено, что в зависимости от исходного сырья и процентного соотношения компонентов, а также от технологических режимов синтеза (температуры и времени активации, режима газообмена и т. д.) формируется углеродный материал, содержащий большой объем микро- и мезопор, обладающий удельной поверхностью по ВЕТ в диапазоне 2400-3600 м2/г, удельным объемом пор по DFT - 2,4-4,65 см3/г и средним диаметром пор 3,5-5 нм. Полученный активированный нанопористый углеродный материал может использоваться в качестве универсального высокоэффективного сорбента газообразных сред, в системах очистки - для решения экологических задач, а также в качестве газовых аккумуляторов в системах хранения и транспортировки.

Методом газовой хроматографии определены термодинамические характеристики адсорбции разных классов органических соединений на нанопористых кремнеземах с химически привитым метилсилоксаном. Показано, что увеличение концентрации привитых групп от 1.5 до 1.7 нм–2 приводит к росту констант Генри и теплот адсорбции и, как правило, снижению стандартных энтропий адсорбции. В отношении аренов полярность образцов практически такая же, как и жидкой фазы OV‑1. Совокупность газохроматографических и статических данных по адсорбции паров с учетом значений краевых углов смачивания водой и гексадеканом для аналогичных монослоев, закрепленных на кремниевых пластинках, позволяет сделать вывод о том, что по степени лиофобизации поверхности метилсилоксановые слои существенно превосходят гексадецильные, но уступают полифторалкильным.

Методами газовой хроматографии (ГХ), статической адсорбции и ИК-спектроскопии диффузного отражения проведено комплексное исследование особенностей процесса адсорбции бензола в полифторалкильных слоях разного строения, привитых к поверхности силикагеля SG. После модифицирования константы Генри по данным ГХ и величины адсорбции бензола, полученные статическим методом, снижаются в ряду: SG > SG‑F(III) > SG‑F > SG‑isoF(III), где для получения образцов SG‑F(III), SG‑F и SG‑isoF(III) использованы силаны nC6F13(CH2)2SiCl3, nC6F13(CH2)2Si(CH3)2Cl и isoC3F7(CH2)2SiCl3 соответственно. Обнаружено, что энергетические характеристики бензола и других углеводородов на образце SG‑F(III) с линейным трифункциональным модификатором превосходят на 3–7 кДж/моль величины, полученные на исходном носителе. На основе десорбционных данных в области капиллярно-конденсационного гистерезиса изотерм адсорбции бензола рассчитаны углы смачивания на нанопористых силикагелях с полифторалкильными слоями.

Сравнением характеристик пористой структуры активированных углей (АУ) проведена оценка эффективности теплового удара (ТУ), введенного вместо программируемого нагревания (4 град/мин) при щелочной активации (КОН, 800°С) ископаемых углей всего метаморфического ряда (Сdaf = 70.4–95.6%). При ТУ образуются АУ с увеличенными удельной поверхностью (≤2.5 раза) и объемом пор (≤2.2 раза), но с меньшими выходами (в 1.07–1.30 раза). Эффект ТУ, выраженный приращением удельной поверхности ∆S, максимален при конверсии бурого угля (∆S = 870 м2/г), снижается до минимального для углей с Сdaf = 90 ± 1% (∆S = 109 м2/г) и возрастает при активации антрацитов (∆S = 496 м2/г). Показано, что для бурых и каменных углей эффективность ТУ возрастает с ростом Odaf, который отвечает за формирование субнанопор. При активации антрацитов включается дополнительный механизм порообразования, не связанный с кислородными группами.

На примере двух биметаллических наночастиц Cu - Pt и Au - Ag исследуется внутренняя структура и внешняя поверхность в процессе избирательной коррозии. Рассматриваются эквиатомные составы с общим числом атомов Ntot = 3000. В процессе избирательной коррозии удалялась половина атомов меди и серебра соответственно. В качестве метода моделирования используется метод Монте-Карло, в рамках схемы Метрополиса. Межатомное взаимодействие описывается потенциалом сильной связи. Как и следовало ожидать, избирательная коррозия приводит к тому, что поверхностный слой частицы обогащается атомами одного из компонентов. Однако сердцевина частицы сохраняет структуру бинарного наносплава. Нами также установлено, что в результате избирательной коррозии формируется дефектная структура наночастицы. Соответственно, мы предполагаем, что именно эти дефекты (преимущественно вакансии) приводят к пористой структуре более крупных бинарных наночастиц, наблюдаемых в экспериментах по их избирательной коррозии. Изменение величины удельной поверхности на единицу объема либо веса влияет на адсорбционные и каталитические свойства, а также коррозионную стойкость биметаллических наночастиц.

Наночастицы палладия в водных растворах: адсорбция водорода и каталитические реакции с его участием.

58.Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020. Т. 56. № 6. С. 570-578.
Сольвотермальным методом в органическом растворителе N,N-диметилформамиде синтезирован образец металл-органической каркасной структуры Zr-BDC при при температуре 110°С. Полученный материал характеризуется развитой пористой структурой с удельной поверхностью SBET = 1060 м2/г, объемом микропор W0 = 0.44 см3/г и средним эффективным радиусом микропор х0 = 0.54 нм, что позволяет рассматривать его в качестве потенциально эффективного адсорбента для систем адсорбированного природного газа. Разработаны параметры формования образцов на основе Zr-BDC со связующим (поливиниловый спирт) и без него при различных давлениях прессования. Исследовано влияние давления формования на насыпную плотность полученных образцов и на их структурно-энергетические характеристики. На основе теории объемного заполнения микропор М.М. Дубинина рассчитаны зависимости активной удельной объемной емкости по метану от давления на исходном рассыпном и формованном адсорбенте Zr-BDC при температурах 243, 273 и 303 К и давлениях до 100 бар. Экспериментально измерена активная удельная объемная емкость по метану адсорбционной системы на основе формованного Zr-BDC в указанных термодинамических условиях.

Адсорбция цетилтриметиламмоний бромида природным цеолитом и свойства его модифицированной поверхности.

На примере кристаллического кремния рассмотрено влияние степени пористости и радиуса пор на особенности изменений в морфологии нанопористых материалов, возникающих в результате их физического распыления ионами низких энергий. Методом молекулярной динамики проведено моделирование процесса разрушения пористых структур с различными размерами пор и пористостью. На основании полученных зависимостей потенциальной энергии системы и удельной площади поверхности от температуры определены значения указанных параметров, при которых происходит процесс сжатия пор.

Исследовано влияние химии поверхности неполярных сорбентов (силикагель-С18, пористый графитированный углерод), температуры и состава жидкой фазы на параметры хроматографического удерживания S,N-производных 1,1-диметилгидразина (тиосемикарбазидов) в условиях жидкостной хроматографии. Экспериментальные результаты сопоставлены с результатами предварительной оценки адсорбционных характеристик тиосемикарбазидов, полученными на основе молекулярно-статистического метода и методов оценки фактора липофильности. Обнаружено удовлетворительное совпадение экспериментальных и теоретически предсказанных результатов. Показано, что наибольшая эффективность хроматографического разделения смесей этил-, аллил- и фенилтиосемикарбазида достигается при использовании пористого графитированного углерода, упакованного в колонку Hypercarb. Селективность этого сорбента в 1.5 раза выше, чем селективность октадецилсиликагеля в колонке Zorbax Eclipse XDB С18.

Рассмотрено влияние химии поверхности ультрадисперсного алмаза (УДА) на адсорбцию водорастворимых красителей. Проведено сравнение с адсорбцией на графитированной термической саже (ГТС), обладающей однородной непористой поверхностью. Измерены изотермы адсорбции красителей и зависимость адсорбции от рН растворов. Установлено, что УДА адсорбирует кислотные (анионные) красители - кислотный оранжевый (КО) и кислотный синий антрахиноновый (КСА) и практически не адсорбирует основной (катионный) краситель - метиленовый синий (МС) вследствие преобладания на поверхности УДА положительно заряженных основных групп. Предельная адсорбция КО на УДА значительно меньше, а КСА близка к его адсорбции на ГТС. При этом адсорбция КО на УДА сильно зависит, а адсорбция КСА не зависит от рН растворов. Сделано предположение, что в адсорбцию КСА наряду с ионными и гидрофобными взаимодействиями вносят вклад координационные взаимодействия с примесными ионами металлов на поверхности УДА. Сделан вывод, что адсорбция красителей с высокой чувствительностью характеризует химию поверхности УДА.

Известно, что в процессах радиохимических производств образуется большое множество изотопов, ценные свойства которых необходимы для решения как технических, так и других проблем для современного общества. Принимая это во внимание, рассмотрена возможность выделения ксенона при растворении отработанного ядерного топлива путем концентрирования на нанопористых адсорбентах. Решение данного вопроса позволит не только снизить выброс радиоактивных благородных газов, но и адаптировать существующую схему выделения радиоактивных ксенона, криптона под задачи по их концентрированию и разделению с использованием нанопористых адсорбентов.

В последнее годы значительно возросло потребление диклофенака - нестероидного противовоспалительного средства с сильным обезболивающим и жаропонижающим действиями. Однако он является антропогенным загрязнителем из-за своей высокой стойкости к воздействию биологических систем очистки. В последнее время в области очистки сточных вод от различных органических загрязнителей, в том числе диклофенака, активно развиваются адсорбционные методы, поскольку они позволяют снизить остаточные концентрации вещества в растворе до уровня чувствительности физических методов В работе изучена адсорбция диклофенака из нейтральных водных растворов с использованием в качестве адсорбентов металлорганических координационных полимеров, MTL-96 и MTL-100, образованных ионами алюминия (TTT) и 1,3,5-бензолтрикарбоновой кислотой. Адсорбция была изучена при 20оС из растворов с рН=6.0-6.2, начальной концентрацией ДКФ 40-800 мг/дм3 и концентрацией адсорбента 1 мг/4 см3. Показана высокая адсорбционная ёмкость 473-541 мг/г изученных МОКП, позволяющая снизить остаточную концентрацию диклофенака натрия в растворе до уровня чувствительности УФ-спектроскопии. Максимальная величина адсорбции диклофенака на MTL-96 и MTL-100 равна 475 и 480 мг/г, соответственно. Все адсорбционные изотермы были L-типа. Экспериментальные изотермы адсорбции были проанализированы с помощью моделей Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина для описания распределения молекул диклофенака между адсорбентом и жидкостью. Были определены константы и параметры адсорбционных моделей. Полученные данные указывали на то, что адсорбция диклофенака протекает по механизму физической сорбции. Согласно модели Фрейндлиха поверхность MTL-96 имеет энергетически неэквивалентные адсорбционные центры по сравнению с MTL-100. Высокая микропористость MTL-96 по сравнению с MTL-100 способствовала протеканию на поверхности MTL-96 полислойной адсорбции диклофенака. Путем сопоставления среднеквадратичных отклонений (R2), сделан вывод о том, что модель Фрейндлиха лучше других описывает адсорбцию диклофенака на MTL-96, а модель Ленгмюра - адсорбцию диклофенака на MTL-100. Этот вывод так же согласовывался с различием их структурных и текстурных свойств.

Предложена методика самоорганизации углеродных нанотрубок в массив при помощи молекул-координаторов и развития вторичной пористости в полученных супрамолекулярных структурах. Методом молекулярной динамики исследован процесс образования таких структур, и произведена оценка эффективного радиуса формирующихся в них пор. Установлена взаимосвязь между размерами молекул-координаторов и их ориентацией относительно поверхности нанотрубок со средними размерами микропор в полученных супрамолекулярных структурах. На основе теории объемного заполнения микропор рассчитана адсорбция метана и водорода на таких модельных системах. Показано, что пористость, образующаяся за счет организации нанотрубок в массивы посредством молекул-координаторов, позволяет аккумулировать метан и водород на уровне лучших модельных адсорбентов.

Методом частотной спектроскопии импеданса исследованы свойства модифицированного кобальтом нанопористого оксида алюминия, сформированного двухстадийным оксидированием. Рассмотрены состояния, отвечающие различному распределению кобальта в порах. Выбраны эквивалентные схемы, адекватно отвечающие полученным спектрам импеданса, позволяющие оценить результаты модификации поверхности и ее изменение при исследовании.